«В. П. Одинец Зарисовки по истории компьютерных наук Учебное пособие Сыктывкар 2013 УДК 004:93 ББК 32.975 О 42 Печатается по решению редакционно-издательского совета Коми государственного педагогического института от ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Коми государственный педагогический институт

В. П. Одинец

Зарисовки

по истории компьютерных наук

Учебное пособие

Сыктывкар

2013

УДК 004:93

ББК 32.975

О 42

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Коми государственного педагогического института от 25.12.2012 г.

Рецензенты:

Флегонтов А. В. – профессор, д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой информационных систем и программного обеспечения РГПУ им. А. И. Герцена (Санкт-Петербург), действительный член Академии Информатизации Образования Фокин Р. Р. – профессор, д-р пед. наук, зав. кафедрой информатики СПбГУСЭ (Санкт-Петербург), действительный член Академии Информатизации Образования Одинец, В. П.

О 42 Зарисовки по истории компьютерных наук : учебное пособие / В. П. Одинец. – Сыктывкар : Коми пединститут, 2013. – 421 с.

ISBN 978-5-87661-246- Книга В. П. Одинца является первым в мировой учебной и монографической литературе сочинением, охватывающим с единых позиций историю всех девяти компьютерных наук (идей, методов и биографий творцов) согласно американской классификации «Computer Science». Данное издание позволило вернуться к первоначальному замыслу автора и соединило в одной книге три части сочинения, выходившего в 2011–2013 гг., дав широкую панораму истории создания компьютерных наук на стыке математики, физики и химии до 90-х гг.

XX века. Материал книги собирался автором на протяжении трех десятилетий в России, Польше, Германии и США.

Книга, за исключением главы II, рассчитана на студентов, преподавателей школ, колледжей и вузов, а также всех интересующихся информатикой и ее историей. Глава II предназначена будущим математикам и информатикам, и при первом чтении может быть пропущена без ущерба для понимания.

УДК 004: ББК 32. © Одинец В. П., ISBN 978-5-87661-246-5 © Коми государственный педагогический институт, Оглавление Из предисловия к 1-му изданию…………………………….. Предисловие ко 2-му изданию……………………………….. Часть I Г л а в а I. История вычислительной техники и архитектуры компьютеров…………………………………………….. § 1. Доэлектронная эра истории компьютеров (до XVIII в.)…. § 2. Доэлектронная эра истории компьютеров (XVIII–XIX вв.)…………………………………………………. § 3. Аналоговые компьютеры…………………………………... § 4. Почти первое поколение компьютеров………………….... § 5. История создания компьютеров в России (до 1948 г.)….... § 6. История создания компьютеров в России (1948–1954 гг.)…………………………………………………... Заключительные замечания…………………………………..… Г л а в а II. История развития теории алгоритмов………... Введение………………………………………………………….

§ 7. Вычислительная модель Поста……………………………..

Упражнения……………………………………………………… § 8. Вычислительная модель Тьюринга. Машина фон Неймана………………………………………………………….. § 9. Вычислительные модели Маркова и Клини……………… Упражнения……………………………………………………… § 10. Проблемы разрешимости и перечислимости…………….

Упражнения……………………………………………………… § 11. X-я проблема Гильберта…………………………………..

§ 12. Элементы теории сложности. NP-проблема…………….. Упражнения……………………………………………………… Г л а в а III. История систем искусственного интеллекта... Введение………………………………………………………….

§ 13. Представление знаний в интеллектуальных системах…..

Упражнения……………………………………………………… § 14. Экспертные системы……………………………………… Г л а в а IV. История языков программирования………… § 15. Алгоритмические языки. Первые два поколения языков § 16. Языки высокого уровня и языки структурного § 17. Языки конкретных классов задач………………………...

Упражнения……………………………………………………...

Г л а в а V. История баз данных и информационнопоисковых систем…………………………………………….... § 18. Система управления базами данных в интерактивном режиме…………………………………………………………… § 19. Реляционная модель данных……………………………... § 20. Специальные базы данных, включая базы информационно-поисковых систем………………………………………… Упражнения……………………………………………………... Г л а в а VI. История создания и развития операционных систем……………………………………………………………. § 21. Прототипы операционных систем……………………….. § 22. Классические операционные системы…………………... § 23. Мобильные операционные системы……………………..

§ 24. Отечественные операционные системы………………… Заключение……………………………………………………... Упражнения…………………………………………………….. Список литературы……………………………………………. Г л а в а VII. Компьютерные сети…………………………... § 25. Локальные компьютерные сети…………………………. § 26. Глобальные компьютерные сети………………………… Упражнения……………………………………………………... Г л а в а VIII. Взаимодействие человека и компьютера (HCI)…………………………………………………………….. Введение………………………………………………………… § 27. Внутренний интерфейс…………………………………... § 28. Внешний интерфейс……………………………………… Упражнения……………………………………………………... Г л а в а IX. Компьютерная графика……………………….. Упражнения……………………………………………………... Заключение……………………………………………………... Список литературы……………………………………………. Именной указатель…………………………………………….. Предметный указатель………………………………………... Список иллюстраций…………………………………….......... Из предисловия к 1-му изданию Прежде, чем вести речь об истории компьютерных наук, следует определить, что входит в их перечень. По американской классификации «Computer Science» он состоит из следующих разделов:

1. Вычислительная техника и архитектура компьютера.

2. Алгоритмы.

3. Искусственный интеллект.

4. Языки программирования.

5. Базы данных и информационно-поисковых систем.

6. Операционные системы.

7. Компьютерные сети (включая Internet).

8. Системы взаимодействия человека и компьютера (HCT).

9. Компьютерная графика.

Именно эти 9 разделов (глав) и будут представлены читателю в трех частях нашего сочинения (см. также [1–10], c. 358).

Это сочинение возникло на основе докладов и лекций, прочитанных автором в разные годы (2003–2010) в Зеленогурском университете (Польша), и годового курса лекций, прочитанного в Сыктывкарском государственном университете в 2010/2011 учебном году, а также материалов к учебному пособию по теории алгоритмов, изданному (совместно с М. В. Поспеловым) в 2006 г.

Не углубляясь в чисто технические детали, хотя и признавая их важность, основное внимание в книге сосредоточено на истории появления идей и методов. По структуре все параграфы либо заканчиваются биографиями основных ученых, упомянутых в данном параграфе, либо их биографии даются в сносках. Настоящая книга не может служить заменой учебников, поскольку охватывает далеко не всю историю указанных выше разделов1.

Связано это как с селекцией материала автором, что и отражено в названии сочинения, так и с временными ограничениями – материал в основном охватывает период до XXI в. Не будучи чисто учебным пособием, хотя бы потому, что только цитированная литература насчитывает около 500 позиций, считаем полезным давать в части параграфов задачи для самостоятельной работы по тематике данного параграфа.

В конце каждой части дается список основной литературы, а также именной и предметный указатели. При этом именные указатели для удобства читателей снабжены, по возможности, датами жизни.

Предисловие ко 2-му изданию Настоящая книга является вторым изданием трехчастного сочинения «Зарисовки по истории компьютерных наук», выходившего отдельными частями в 2011–2013 гг. в издательстве Коми государственного педагогического института г. Сыктывкара.

В настоящем издании сохранена нумерация глав и параграфов первого издания, охватывающая разделы 1–9 американской классификации «Computer Science». Однако во 2-м издании есть и некоторые изменения: так, оглавление, именной и предметный указатели, а также список иллюстраций теперь общие для всей книги. При этом именной указатель расширен более чем на треть, за счет включения имен из списка цитированной литературы части III. Списки литературы к каждой части также пополнены.

Включены в текст и некоторые новые материалы, например фоНапример, в главе «Искусственный интеллект» отсутствует материал по истории роботики.

тография, имя и отчество первого, наряду с Селимом Григорьевичем Крейном, советского программиста Сергея Александровича Авраменко1; исправлены выявленные неточности и опечатки.

Разумеется, постепенное рассекречивание документов СССР и США даст со временем более объективный взгляд на историю компьютерных наук (см., например, [143], c.162).

В заключение автор хотел бы выразить свою признательность рецензентам – профессорам А. В. Флегонтову и Р. Р. Фокину за ценные замечания, учтенные автором, а также поблагодарить всех, кто оказывал поддержку при создании этой книги. При этом особую благодарность хотел бы выразить профессорам В. Ф. Зайцеву, В. Г. Парфенову, А. Б. Певному, Н. Н. Петрову, Н. Х. Розову, И. В. Романовскому, Вернеру Шмидту и члену-корреспонденту РАН профессору Р. М. Юсупову, а также В. В. Бухваловой, С. В. Лесникову, Г. М. Полотовскому, М. Н. Юркиной (Истоминой) и А. М. Сухоногову.

Автор благодарит также всех, кто прислал свои замечания и предложения по e-mail: [email protected], по возможности, учтенные автором.

Пока даты его жизни остаются закрытыми. Известно лишь, что после работы в лаборатории С. А. Лебедева в Феофании (около Киева) над МЭСМ он сменил в 1953 г. в Сарове (Арзамас-16) Николая Николаевича Боголюбова и работал там до 1963 г.

ЧАСТЬ I

Глава I. История вычислительной техники и архитектуры компьютеров § 1. Доэлектронная эра истории компьютеров (до XVIII в.) Впервые трактовка слова компьютер появилась в известном Оксфордском словаре английского языка в 1897 г. Тогда под словом компьютер понималось механическое вычислительное устройство. В 1946 г. Словарь пополнился дополнениями, разделившими понятия цифрового, аналогового и электронного компьютера [1].

Итак: computer = устройство для счета (часто: электронная вычислительная машина);

analog computer = аналоговая вычислительная машина;

digital computer = цифровая вычислительная машина;

electronic brain (разг.) = электронная вычислительная машина [2].

С формальной точки зрения следующие 6 устройств: абак1, суан-пан2, китайские счеты3, счетные узелки (кипу)4, саробан5, Абак появился в Древнем Вавилоне и Египте не менее чем за 1000 лет до н. э. Об абаке пишет Геродот (484, 425 г. до н. э.). Абак – это стол, доска, глиняная плита, разделенная на полосы, в которых передвигались камешки [3].

Суан-пан появился в Китае около 500 г. до н. э. Первоначально это был набор соломинок с нанизанными щепками или камешками [4].

Китайские счеты появились в Китае в VI в. н. э. Вместо соломинок суанпана – в них уже проволоки. Щепки и камешки заменились на выточенные диски или шарики.

Счетные узелки (кипу) появились у инков в XV в.

Саробан (аналог китайских счет). Япония XVI в.

русские счеты1 тоже называют компьютерами (преднулевого поколения).

Столь же часто эти устройства называют некомпьютерными вычислительными устройствами.

К компьютерам нулевого поколения относят:

механическое устройство, в виде зубчатых передач, служащее для астрономических вычислений.

Антикитерский механизм В 2006 г. с помощью рентгеновской методики на частях антикитерского механизма удалось прочесть 2000 греческих символов. Из них следовало, что механизм мог вычислять конфигурации движения Марса, Юпитера, Сатурна [6].

Устройство Леонардо да Винчи (da Vinci Leonardo: 1452– 1519), предназначенное для суммирования 13-разрядных десятичных чисел. Эскиз этого устройства, нарисованный еще в 1492 г., был обнаружен в так называемом «Мадридском кодексе»

– неопубликованной рукописи да Винчи, в 1967 г. в Библиотеке Русские счеты – это версия китайских счет с 10 шариками на каждой проволоке, появились в России в XVI в.

Испании в Мадриде. Построенное по этому эскизу устройство, состоящее из 10-зубцовых колец (их 13), нанизанных на валик, позволяет складывать 13-разрядные числа.

В 1617 г. Джон Непер (John Neper: 1550–1617) незадолго до своей смерти предложил не логарифмический способ перемножения чисел. На тонких пластинках (блоках) каждой из ее сторон были нанесены числа, образующие математические прогрессии (арифметические и геометрические). Манипуляции с блоками позволяли умножать и делить большие числа, а также извлекать квадратные и кубические корни. Эти пластинки получили позже название палочек (или костяшек) Непера1.

Годы с 1618 по 1630 отмечены взрывным интересом к изобретению логарифмических линеек. Первым обычно называют Эдмунда Гюнтера (Edmund Gunter: 1581–1626), с 1619 г. профессора астрономии Грешем Колледжа. Длина его логарифмической линейки была 2 фута (= 0,61 м). На ней были нанесены шкалы, проградуированные по экспоненциальному закону. Однако линейка не имела тогда подвижной средней части. Оперировать со шкалами нужно было с помощью циркуля, что было неудобно.

В 1630 г. Уильям Отред (William Oughtred: 1574–1660) и Ричард Деламейн (Richard Delamain: 1600–1644) независимо друг от друга предложили сдвигать шкалы в линейке. При этом были предложены как прямоугольные, так и круглые линейки, в которых логарифмические шкалы были нанесены на концентрических кольцах, вращавшихся друг относительно друга.

В то время, когда в Англии занимались усовершенствованием логарифмической линейки, облегчившей прежде всего вычисления астрономам, в Германии профессор восточных языков Тюбингского университета, увлекавшийся астрономией, ВильНапомним, что Неперу мы обязаны появлением логарифмов и таблиц логарифмов [3].

гельм Шиккард1 (Wilhelm Schickard: 1592–1635) для своего кумира астронома Яна (= Иоганна) Кеплера (Johann Kepler: 1571– 1630) строит вычислительную машину. Она была 6-разрядной и имела сумматор для десятичных чисел. Блок записи промежуточных действий практически был зародышем оперативной памяти.

В 1623 г. В. Шиккард посылает эту машину по почте И. Кеплеру.

К несчастью, пожар на почтовом отделении уничтожает машину.

В сохранившихся письмах к И. Кеплеру есть подробный эскиз и описание работы машины. По нему уже во второй половине XX века машина была построена. И она работает.

В 1642 г. 19-летний Блез Паскаль (Blaise Pascal: 1623– 1662) для своего отца Э. Паскаля2 (E. Pascal: 1588–1651) изобрел вычислительную машину, в которой было устройство, выполнявшее (механически) сложение и вычитание 6–8-разрядных чисел. Эта машина должна была облегчить расчеты при проведении торговых операций, а также при расчете налогов.

Конструктивно машина Паскаля была фактически кассовым аппаратом, только без ящика для денег3.

В 1672 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц (Gottfried Wilhelm Leibniz: 1646–1716) строит по существу первый арифмометр, который, помимо операций сложения (и вычитания) мог уже выполнять операции умножения и деления.

В 1673 г. машина Лейбница была показана членам Королевского научного общества в Лондоне. Главную часть машины составляли ступенчатые валики, на которых набирались 2-разрядные числа.

В 1631 г. В. Шиккард сам становится профессором астрономии Тюбингского университета.

Напомним, что улитка Паскаля названа в честь Этьена Паскаля (Pascal Etienne: 1588–1651), увлекавшегося математикой.

Блез Паскаль построил более 70 экземпляров своей машины. Часть из них сохранилась и работает.

В 1694 г. Лейбниц усовершенствовал свою машину, и она стала 12-ти разрядной. Строительство вычислительной машины было для Лейбница не случайностью – Лейбницем владела идея построения универсального логического алгоритма, который позволил бы доказывать или опровергать любое предложение любой формализованной науки. Одним из первых шагов на пути построения такого алгоритма и должны были стать вычислительные машины1 [3, с. 102].

В 1673 г. часовщик и механик короля Франции Луи XIV (Louis XIV: 1638–1715) Рене Грийе де Ровен (Rene Grillet de Roven), живший в конце XVII в., опубликовал небольшую книжку2, в которой анонсировал изобретение арифметической вычислительной машины. Через 5 лет (в 1678 г.) в журнале «Le Journal des Scavans» он дал описание этой машины. По словам Рене Грийе, на этой машине можно было и складывать, и умножать.

В промежутке между 1673 и 1681 г. Рене Грийе демонстрировал свою машину и во Франции, и в Голландии.

§ 2. Доэлектронная эра истории компьютеров (XVIII–XIX вв.) В XVIII в. продолжалось усовершенствование счетных машин Б. Паскаля и Г. Лейбница.

В 1709 г. построена (из дерева) счетная машина итальянского математика и астронома Джованни Полени (Giovanni Один экземпляр машины Лейбница подвергся в 1894 г. неудачному ремонту, и машина не функционировала. Только в 1990 г. ошибка ремонтника была исправлена, и машина Лейбница снова заработала. Этот экземпляр сейчас хранится в Немецком музее в Мюнхене.

Grillet de Roven Rene. Curiositez mathematiques de l’invention du Sr Grillet horlogeur a Paris (1673).

Poleni: 1683–1761). Экземпляры этой машины имеются в музее науки и техники в Милане и в музее «Arithmeum» в Бонне.

В 1727 г. Антониус Браун (Antonius Braun: 1686–1728) изготавливает для Венского Двора вычислительную машину. Ее экземпляр находится ныне в Техническом музее Вены.

Эта машина позволяла умножать и делить трех–четырехзначные числа.

В том же 1727 г. немецкий механик Якоб Леопольд (Jacob Leopold: 1674–1727) дал описание вычислительной машины, очень похожей на машину А. Брауна, которая должна была работать по принципу сегментации каждой числовой позиции. Благодаря помощи французского мастера – изготовителя инструментов и приборов – Филиппа Вайринже (Philippe Vayringe: 1684–1746), в 1736 г. машина Брауна заработала1.

В итоге эту счетную машину называют вычислительной машиной Леопольда-Брауна-Вайринже. Ее экземпляр находится в Немецком музее Мюнхена.

конструирует вычислительную машину, в которой каждой позиции отвечали концентрические зубчатые Как тогда говорили: «Braun invenit, Vayringe fecit» = Браун изобретает, Вайринже представляет [товар лицом] (фр.).

Штуттгарта работает с одиннадцатизначными числами, а экземпляр из Мангейма – с двенадцатизначными числами.

Многие историки техники с учетом всех тех новинок, привнесенных пастором Ханом в его машину, даже называют эту машину первой по-настоящему вычислительной машиной.

В 1786 г. немецкий военный инженер Иоганн Мюллер (Johann Helfrich Mller: 1746–1830) начинает постройку специализированного калькулятора для табулирования логарифмов. В машине используются ступенчатые валики, предложенные еще Г.

Лей-бницем. Это устройство могло оперировать с 14-разрядными числами и выполняло все четыре арифметические операции. Для табулирования И. Мюллер применяет метод конечных разностей1.

На рубеже XVIII и XIX вв. была построена еще одна вычислительная машина (хранится ныне в городском музее Гетеборга (Швеция)) под названием «счетная машина Саутера из Эслингена (Elingen)». До сих пор неизвестно, изобрел ли ее Иоганн Якоб Саутер (Johann Jacob (Jun) Sauter: 1770–?) (Onsfmettingen)) или его брат Иоганн Людвик Саутер (Johann Ludwig Sauter:

1780–?). (Годы смерти братьев неизвестны.) В XIX в., с одной стороны, шло совершенствование механических счетных машин и начато их серийное производство, а с другой – был сделан очень важный шаг в появлении первых программ и зародышей архитектуры современных компьютеров. Одновременно началось интенсивное развитие аналоговых компьютеров.

Самое начало XIX в., точнее 1801 г., был ознаменован событием, отголоски которого ощущались и 150 лет спустя. В этом году француз Жозеф Мари Жаккар (Joseph Marie Jacquard: 1752– 1834) строит первый ткацкий станок с программным управлениПодробнее этот метод будет рассмотрен далее при обсуждении разностной машины Ч. Бэббиджа.

Tomаs: 1785–1870) получает французский патент на созданную им выЖозеф Мари Жаккар полторы тысячи этих машин. Именно тогда эти машины получат название арифмометры. К сожалению, их производство оказалось Calmar), который тоже начал промышленное производство арифмометров, приходилось ежегодно сниВильгот Теофил Однер В 1876 г. шведский инженер Вильгот Теофил Однер (Willgodt Theophil Odhner: 1845–1905) сконструировал и построил арифмометр, который после ряда модификаций в конце XIX и начале XX вв. в почти неизменном виде выпускался до 1978 г. [7, с. 123]. В 1878 г. А. Однер получил немецкий патент1, а годом позже шведский и русский патенты на свое изделие. Фабрика, построенная в Санкт-Петербурге в 1886 г., выпустила до 1917 г. более 30 тысяч арифмометров, снабжая ими всю Европу2.

26 декабря 1791 г. в Лондоне в семье банкира родился создатель первой вычислительной машины с программным обеспечением Чарльз Бэббидж (Charles Babbage: 1791–1871).

В 1814 г. он получил степень бакалавра. В 1819 г. начал, а в 1822 г. закончил строительство машины для вычисления астрономических и математических таблиц (прежде всего таблиц логарифмов и таблиц тригонометрических функций). Работа машины основывалась на методе конечных разностей [10, с. 86].

Напомню, что для таблиц с равноотстоящими узлами конечные разности первого порядка – это разности между соседними табличными значениями:

Разности второго порядка – это В Германии аналог арифмометра Однера арифмометр «Triumphator CRN 1» в 1958 г. выглядел так же, как арифмометры, выпущенные во время Первой мировой войны. Выпускавшиеся в СССР с 1929 по 1978 г. в Пензе, Курске и Москве арифмометры «Феликс» внутренним устройством практически не отличались от «Триумфатора».

Завод Однера в Петрограде после 1917 г. был перепрофилирован на выпуск артиллерийских приборов.

Формула для конечных разностей k-го порядка (k > 1) будет:

Отметим, что для таблицы 1.1 разностью наивысшего порядка будет n y0.

yk k : 1,2,, n можно выразить с помощью конечных разностей:

«Малая» (так ее позже назвал Ч. Бэббидж) машина была полностью механической и состояла из шестеренок и рычагов. В ней использовалась десятичная система счисления. Она оперировала 18-разрядными числами с точностью до 8-го знака после запятой.

Скорость вычисления при вычислении членов последовательности была 12 членов в 1 минуту. Малая разностная машина могла считать значения многочленов 7-й степени.

Однако память у этой машины была мала, и она не могла быть использована для больших вычислений.

Поэтому у Ч. Бэббиджа появилось желание построить большую разностную машину. Тем более что первоначально его идею поддержали материально Королевское и Астрономическое общества [7].

Большая разностная машина должна была состоять из деталей, весить около 14 тонн, ее высота была 2,5 метра. Память машины была рассчитана на хранение 1000 50-разрядных чисел.

Наконец, машина должна была быть снабжена печатным устройством для вывода результатов.

К сожалению, финансовые и технические трудности не позволили Ч. Бэббиджу построить машину1.

Для создания ее отдельных деталей Ч. Бэббидж сконструировал поперечно-строгальный и токарно-револьверный станки, придумал методы изготовления зубчатых колес. Им же был предложен метод литья под давлением и новый метод заточки инструментов. Для всех автомобилистов Ч. Бэббидж останется тем человеком, который придумал спидометр.

Неудача с большой разностной машиной заставила Ч. Бэббиджа задуматься о построении машины, которая решала бы более широкий круг задач, чем только создание таблиц. Новую машину, названную Ч. Бэббиджом аналитической, он начал проектировать в 1834 г.

Это сделал его сын Генри, после смерти отца. Полностью большая разностная машина была достроена только в 1991 г. к 200-летию со дня рождения Ч. Бэббиджа двумя инженерами Р. Кирком (R. Kirk) и Б. Холлоуэй (B. Holloway) и хранится в Лондонском научном музее.

Архитектура этой машины должна была быть следующей:

1. Склад (store).

По современной терминологии, склад – это память. В ней предполагалось хранить как значения переменных, так и результаты операций.

2. Мельница (mill).

«Мельница» – это арифметико-логическое устройство (по современной терминологии – часть процессора), которое должно было производить операции над переменными, а также хранить в регистрах значения переменных, с которыми в данный момент осуществлялась операция.

3. Управляющий элемент (control).

Третье устройство осуществляло управление, точнее:

а) помещение переменных в «склад» и извлечение их оттуда, б) задавало последовательность операций, в) осуществляло вывод результатов операций.

При этом оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт.

Перфокарты делились на два вида:

1) операционные карты;

2) карты переменных.

Из операционных карт составлялась библиотека функций.

Устройство ввода (считывания перфокарт) управлялось третьим устройством.

4. Устройство ввода/вывода информации.

Вывод результатов операций осуществлялся с помощью перфоратора и печатающего устройства1.

Уже в разностных машинах Ч. Бэббиджа результаты выдавливались стальным штампом на тонкой медной дощечке (Таненбаум [11, c. 30]).

Еще в 1933 г. Ч. Бэббидж знакомится с 18-летней дочерью поэта Байрона Адой (1815–1852). Мать Ады (Анна Изабелла Байрон, Anne Isabella Byron (Milbanke): 1792–1860) после развода с поэтом пожелала дать дочери математическое образование. С этой целью она пригласила для нее учителя Огастес де Моргана (Augustus de Morgen: 1806–1871), наряду с Джорджем Булем (George Boole: 1815–1864), создателем булевской алгебры.

Позже Ч. Бэббидж тактично познакомил Аду Лавлейс (Ada King Byron, Countess of Lovelace) со своими идеями создания алгоритмически универсальной аналитической машины, в которой можно было бы реализовать любой алгоритм, и которая работала бы с помощью программ.

В 1842 г. будущий (9-й) итальянский премьер-министр, а тогда профессор механики в военной академии и университете в Турине Луидже Менабреа (Federigo Luigi Conte Menabrea: 1809– 1896) публикует на французском языке восторженную статью об аналитической машине. Ада ее переводит со своими комментариями.

(Статья Л. Менабреа насчитывала стр., а комментарии Ады – 50 стр.) В этом переводе впервые появились понятия: подпрограмма, библиотека подпрограмм, модификация команд, индексный регистр, рабочая ячейка, цикл. В числе прочего в письме Ч. Бэббиджу [12] Ада пишет, что составила программу вычисления чисел Я. Бернулли (Bernoulli Jacob: 1654– Луидже Менабреа 1705).

Термин «библиотека» предложил Ч. Бэббидж.

Напомним [13, c. 497], что числа Я. Бернулли появились в связи с вычислением суммы одинаковых степеней натуральных чисел:

где n : 0,1,2,; m : 1,2, B6 1, B7 0, …, B12 174611 (т. е. все нечетные равны тождественно 0, кроме B1 ).

Можно получить эти числа и с помощью разложения:

Отметим, что первоначально Ч. Бэббидж поставил Аде Лавлейс задачу составить программы для табулирования последовательностей, т. е. фактически для разностных машин.

Заметим также, что математик, астроном и химик Джон Гершель1 (John Frederick Herschel: 1792–1871), друг Ч. Бэббиджа, перевел для последнего книгу (1786 года издания) военного инженера Иоганна Г. Мюллера для вычисления арифметической прогрессии и печатания ее результатов2.

Заметим также, что, как мы бы теперь сказали, для отладки своей малой разностной машины Ч. Бэббидж ездил в Париж для сравнения с двумя экземплярами (в 17 томах) десятичных логаД. Гершель был сыном великого английского астронома Уильяма Фридриха Гершеля (Fridrich Wilhelm Herschel: 1738–1822), родившегося в Германии.

Экземпляр машины И. Мюллера хранится в Земельном музее Хессии в Дармштадте.

рифмических и тригонометрических таблиц, созданных1 под руководством барона Гаспара Прони (Gaspard de Prony: 1755–1839) большой группой вычислителей, и хранившихся при Парижской обсерватории.

§ 3. Аналоговые компьютеры Аналоговым компьютером называют аналоговую вычислительную машину (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление и др.) [16].

В сущности, аналоговым компьютером можно назвать «антикитерский механизм» и логарифмическую линейку. Первые аналоговые компьютеры были механическими, т. е. в них переменные воспроизводились механическими перемещениями. Представление числа в «антикитерском механизме» – это число поворотов шестеренок механизма.

Между 160 и 125 г. до н. э. вел исследования неба один из основоположников астрономии Гиппарх (Hipparchus: (190;

120 гг. до н. э.)). Ему приписывают создание астролябии, состоявшей из системы армиллярных сфер (планисфер), позволявшей с большой точностью измерять углы с диоптрами2. С помощью астролябии Гиппархом был составлен каталог 1022 звезд3, им же впервые были введены координаты точки на земной поверхности:

широта и долгота.

При участии таких математиков, как Адриен Лежандр (Adrien-Marrie Legendre: 1752–1833) и Лазар Карно (Lazare Carnot: 1753–1823).

Диоптры – приспособление для визирования.

В 4 в до н. э. китайский астроном Ши Шэнь составил каталог 800 звезд [14, с. 75; 15].

Живший на рубеже первого тысячелетия н. э. великий хорезмский ученый Ал-Бируни (973–1048) инициировал создание первого механического лунно-солнечного календаря.

В 1206 г., живший в Месопотамии ученый, изобретатель, математик и астроном Ал-Джазари (Al-Jasari: 1136–1206) изобрел башенные и астрономические часы, позволившие демонстрировать зодиак, солнечную и лунную орбиты. Эти часы можно было бы назвать первым программируемым аналоговым компьютером1.

Уже упоминавшийся выше Ч. Бэббидж создал спидометр, фактически аналоговый компьютер. Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового компьютера, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидропроводе меняет давление [7–9].

Современная компьютерная графика ведет свое начало от номографии – раздела математики, в котором изучаются способы представления функциональной зависимости. Чертежи, получающиеся при этом, называются номограммами. Так вот, номограммы – это специализированные счетные приспособления.

– это фактически аналоговые компьютеры. Впервые номограммы и (почти создал планиметр, аналоговое устройЯкоб Амслер-Лаффон ство, дающее возможность нахождеHill D. R. Mechanical Engineering in the Medieval Near East // Scientific American. – 1991. – May. – P. 64–69.

ния площади плоской фигуры, ограниченной замкнутой кривой1. На основе этого планиметра швейцарец Якоб Амслер-Лаффон (Amsler-Laffon Jokob: 1823–1912) создал (в г.) полярный планиметр, существенно не изменившийся с тех пор.

В 1878 г. уроженец2 Российской империи поляк Бруно АбданкАбаканович (Abdank-Abakanowicz интеграфа (патент 1880 г.) – аналогового интегрирующего устройства, позволявшего находить площадь (определенный интеграл) под графиком функции3.

В 1904 г. будущий академик (с 1916 г.) Алексей Николаевич Крылов (1863–1945) изобрел первую аналоговую механическую вычислительную машину, решавшую дифференциальные уравнения, применявшиеся при проектировании морских судов.

Более совершенная версия АВМ (Differential Analyser) появилась в Массачусетском технологическом институте в 1927 г. (а в 1942 г. – ее электромеханическая версия) благодаря Венниверу Бушу (Vannevar Bush: 1890–1974) – Более точно – кривой Жордана.

Родился недалеко от г. Вильно (Вильнюс) (тогда Российская империя).

Окончил Политехнический институт в Риге.

Bruno Abdank-Abakanowicz. Les integraphes. La courbe intgrale et ses applications. – Paris: Gauthier-Villars, 1886.

В заключение этого раздела приведем хронологический перечень других вычислительных машин (см. [7; 8;

– 1666 г. Суммирующее и множительное устройство сэра С. Морленда (Morland Samuel: 1625–1695)1 [Великобритания].

– 1668 г. Описание множительного устройства2 немецкого ученого А. Кирхера (Athanasius Kircher: 1602–1680) в книге К. Шотта (Kaspar Schott: 1608–1666) «Математический инструмент» («Organum mathematicum») [Германия].

– 1700 г. Публикация книги французского ученого, математика, архитектора, доктора медицины Клода Перро (Claude Perraut: 1613–1688) «Трактат о механике»3 с описанием среди прочих изобретенной им суммирующей машины, в которой вместо зубчатых колес (предыдущих изобретателей суммирующих машин) представлены зубчатые рейки, что существенно уменьшило размеры суммирующего устройства [Франция].

Dickinson H. W. Sir Samuel Morland: Diplomat and Inventor, 1625–1695. – Cambridge: The Newcomen Soc., 1970.

Экземпляр этого устройства есть в Немецком музее Мюнхена.

С подзаголовком: «Сборник большого числа машин изобретения». Отметим также, что французский писатель, известный во всем мире своими сказками, – Шарль Перро (Charles Perraut: 1628–1703), – был младшим братом К. Перро.

– 1725 г. Суммирующая машина Х. Л. Герстена (Christian Ludwig Gersten: 1701–1762). В машине Х. Л. Герстена удачно сочетались зубчатые колеса и рейки для операций с семиразрядными числами. В ней имелся и одноразрядный счетчик числа сложений и вычитания [Германия].

– 1763 г. Суммирующая машина Жана Лепэна (Lpine JeanAntoine: 1720–1814), придворного механика и часовщика Людовика XIV в конце его правления. Эта машина использовалась для подсчета денег: 10 разрядов – для ливров, 2 разряда – для су и денье. Новым (по сравнению с предыдущими машинами) было наличие 2-х регистров для записи промежуточных результатов [Франция].

– 1841 г. Суммирующая машина доктора Давида Рота (David (Didier) Roth: 1800–1885)1. (Из-за антисемитизма в Венгрии в тот период Д. Рот вынужден был эмигрировать во Францию, где в свободное от врачебной практики время создает приборы, в том числе и вычислительный) [Франция].

– 1853 г. Разностная машина Г. Шейца (Pehr George Sheutz:

1785–1873) и его сына Э. Шейца (Edward George Sheutz: 1821– 1881) с печатающим устройством [Швеция].

– 1863 г. Разностная машина Мартина Виберга (Martin Wiberg: 1826–1905) [Швеция].

– 1876 г. Разностная машина Джорджа Гранта (George Grant:

1849–1917) [САСШ – Северо-Американские Соединенные Штаты – так назывались тогда США].

– 1888 г. Суммирующая машина с печатающим устройством Уильяма Барроуза (William Saward Burroughs: 1857–1898). В г. клавишный калькулятор Барроуза будет иметь коммерческий успех [САСШ].

Brody J. An migr physician: Dr. David (Didier) Roth, homeopath, art collector, and inventor of calculating machines // Journal of Medical Biography. – 8 (2000).

– P. 215–219.

– 1887 г. Электромеханический табулятор Германа Холлерита (Herman Hollerith: 1860–1929)1. В 1896 г. Г. Холлерит основал компанию IBM [САСШ].

– 1887 г. Первая клавишная суммирующая машина Д. Феллта (Dorr Е. Fellt), названная «комптометром» (comptometer) [САСШ].

– 1888 г. Множительная машина Леона Болле (Leon Bolles:

1869 – 1913) [Франция].

– 1889 г. Арифмометр Дж. Эдмондсона (Joseph Edmondson:

1853–1927), в котором соединены колесо Однера и вал Лейбница (в серию, однако, эта машина не пошла) [Великобритания].

– 1893 г. Множительная машина «Миллионер» Отто Штайгера (Otto Steiger: 1858–1923). Свое применение эта машина нашла в Австралии [Швейцария].

– 1902 г. Десятиклавишная суммирующая машина Г. Гопкинса (Hubert H. Hopkins) [САСШ].

– 1905 г. Арифмометр «Мерседес-Евклид» с пропорциональным рычагом Г. Гамана (Henryk Hamann: 1864–1936) [Германия].

– 1908 г. Усовершенствованный табулятор Холлерита (с использованием контактных щеток вместо чашечек с ртутью) [САСШ].

– 1909 г. Проект аналитической машины П. Ладгейта (Percy Ludgate: 1883–1922) [Ирландия].

– 1910 г. Механический табулятор Дж. Пауэрса (James Powers: 1870–1927) (отметим, что Д. Пауэрс родился и до 18 лет жил в Одессе) [САСШ].

– 1912 г. Машина Дж. Монро (Monroe Joe R.: 1883–1937) с автоматизацией выполнения четырех арифметических действий [САСШ].

Austrian G. D. Herman Hollerith: The Forgotten Giant of Information Processing. – Columbia, 1982.

– 1914 г. Универсальная автоматическая вычислительная машина на электромеханических реле испанского инженера и математика Леонардо Торрес-Кеведо (Leonardo Torres-Quevedo:

1852–1936). Эта машина демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже в 1914 г., она же «умела» решать некоторые шахматные окончания [Испания].

– 1931 г. Начато производство электромеханических табуляторов «Бюлль» («Bull») [Франция].

– 1931 г. Начато производство множительных перфораторов IBM-600, созданных Дж. Брайса (J. Brysa: 1880–1949) [США].

– 1933 г. Разностная машина астронома из Новой Зеландии Лесли Комри (Leslie J. Comrie: 1893–1950)1 [Великобритания].

– 1934 г. Начато производство алфавитного табулятора IBMСША].

§ 4. Почти первое поколение компьютеров В этом параграфе пойдет речь о компьютерах на электромагнитных реле2 и электронных лампах – предшественниках компьютеров с архитектурой фон Неймана. Подробнее будут рассмотрены компьютеры К. Цузе, история компьютера «Colossus», компьютер Д. Стибица, компьютер АВС (Атанасова-Берри), компьютер Harvard Mark 1 (Г. Айкена).

Comrie L. J. Modern Babbage Machines. – Bullet. оf The Office Machinery Users’ Association. – London, 1933. – 29 p.

Напомним, что электромеханическое реле было изобретено в 1834 г. американцем Д. Генри (Joseph Henry: 1797–1878) и итальянцем Сальваторе даль Негро (Salvatore dal Negro: 1768–1839).

Colombini G. Salvatore dal Negro // Professori di materi scientifiche all’Universit di Padova nell’Ottocento. – Padova: Univ. di Padova, 1986.

характеристики вычислительных машин, рассмотренных в этом параграфе.

Хейнкель в г. Дессау. Через год уволившись, он вернулся к своей идее студенческих лет – создания программируемой счетной машины. Довольно быстро он пришел к выводу, что удобнее создавать машину с двоичной системой счисления. В 1938 г. появилась такая машина, представлявшая механический вычислитель с электрическим приводом и возможностью (хотя и ограниченной) программирования при помощи клавиатуры. Результат (уже в десятичной системе) высвечивался на ламповой панели. Названа эта машина была Z1.

В 1939 г. Цузе был призван в армию, но в итоге попал в отдел, занимавшийся созданием управляемых ракет.

В 1940 г. Цузе доработал свою версию Z1 на основе телефонных реле и назвал ее Z2. Кроме того, Z2 считывала инструкции на основе перфорированной 35-миллиметровой кинопленки. В 1941 г.

Цузе в рамках созданной им компании «Zuse Apparatenbau» создал новую модель Z3. Эту модель многие считают первым реально действовавшим программируемым компьютером. Более того, Z3 использовался не только для управления ракетами (точнее их головными частями), но и для проектирования крыла самолета.

Отметим, что, как доказал в 1998 г. Рауль Рохас (Raul Rojas:

1955), Z3 была машиной полной1 по Тьюрингу.

В 1944 г. все три машины Z1, Z2, Z3 были уничтожены в ходе бомбардировок Берлина. В начале 1945 г. новая, не вполне законченная, машина Z4 была перевезена в Баварию. Для нее Цузе успел разработать первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Plankalkl (= исчисление планов).

При поддержке Швейцарской высшей технической школы и компании IBM в 1950 г. Z4 была закончена и продана в Цюрих в Европейскую техническую высшую школу. Это был первый (и единственный) работающий компьютер в континентальной Европе (и первый в мире проданный компьютер).

Отметим, что компьютер Z2 был первым в мире компьютером на магнитных носителях, уже в Z3 в арифметическом устройстве использовалась плавающая запятая.

В патенте2 1936 г. К. Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти, что и данные, тем самым, за несколько лет до оглашения известных принципов Дж. фон Неймана, Цузе высказал положение3, являющееся неотъемлемой частью того, что называется «архитектурой фон Неймана».

Остановимся теперь на первом в мире электронном цифровом компьютере, который в силу наложенных условий секретности (на 30 лет) оставался практически неизвестным до 1973 г., и, следовательно, не мог повлиять на развитие компьютеров. История создания этого компьютера связана с постройкой в Германии еще в феврале 1918 г. Артуром Шербиусом (Arthur Scherbius:

Rojas R. How to make Konrad Zuse’s Z3 a universal computer // IEEE. Annals of the History of Computing. – Vol. 20. – Nr. 3 (1989). – P. 51–54.

Zuse K. Patent Z 23139 / GMD Nr 005 / 021: 1936.

Это положение впервые было реализовано в британском EDSAC в 1949 г.

1878–1929) шифровальной машины ENIGMA1, использовавшейся в дипломатической работе.

К 1939 г. Польша сумела добыть экземпляр ENIGMA, а существовавшая к тому времени группа польских математиковдешифровщиков2 сумела разобраться в методах дешифровки текстов, передаваемых с помощью ENIGMA.

В июле 1939 г. 5 валиков ENIGMA и методы дешифровки текстов были переданы англичанам (недалеко от Варшавы): дешифратору Дилвину Кноксу (Dillwin Knox: 1884–1943) и руководителю морской разведки Великобритании Алестеру Деннистоуну (Alastair Denniston). Для того чтобы достаточно быстро проводить дешировку немецких сообщений, британское правительство решило создать вычислительную машину, способную заменить десятки (или даже сотни) вычислителей и которую обслуживал бы небольшой штат для сохранения секретности.

В качестве основных руководителей работы были выбраны Алан Тьюринг (Alan Mathison Turing: 1912–1954)3 и Гордон Уэлчмэн (Gordon Welchman: 1906–1985). Позже, в 1941 г., для армейской связи высокого уровня немцы разработали серию телеграфных шифровальных систем «Lorenz SZ 40/42». Первые перехваты этих машин были зафиксированы в конце 1941 г. Уже через год и 11 месяцев (на рубеже 1942–1943 гг.) англичанам удалось создать машину «Colossus» для взлома этих систем.

Предшественницей ENIGMA был шифратор Джефферсона, спроектированный третьим президентом (1801–1809) США, ученым по призванию (Джефферсон Томас (Jefferson Thomas: 1743–1826)).

В эту группу входили Мариан Реевcки (Marian Rejewski: 1905–1980), Ежи Ружицки (Jerzy Ricki: 1909–1942) и Генрих Зыгальски (Henryk Zygalski:

1908–1978). Передал части машины и документы к ней полякам немецкий шифровальщик Ганс Шмидт (Hans-Thilo Schmidt), погибший в гестаповских застенках в 1943 г.

Причина смерти Алана Тьюринга от отравления цианидом стыдливо замалчивается. С 1952 г. началась травля А. Тьюринга в силу его нетрадиционной ориентации.

Руководил группой дешифровщиков, создававших программу для Colossus, профессор Макс Ньюмэн (Max Newman: 1987– 1984), один из создателей алгебраической топологии1. Основную работу по строительству «Colossus» выполнил английский инженер Томми Флауэрс (Tommi Flowers: 1905–1998).

«Колосс» стал первым полностью электронным2 вычислительным устройством. Ввод информации осуществлялся с перфоленты. Однако «Колосс» не был «тьюринг-полной» машиной, хотя его можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики.

В этой связи отметим, что еще в 1937 г. Клод Шеннон (Claude Elwood Shаnnon: 1916–2001) показал, что существует взаимно-однозначное соответствие между формулами булевой логики и электронными схемами, получившими название «логические вентили» [126]3.

Исследования К. Шеннона послужили основой для проектирования Джоржем Стибицом (George Stibitz: 1904–1995) в Bell Labs компьютера «Модель К» на основе релейных переключателей. В январе 1940 г. была закончена постройка Complex Number Calculator, умеющего выполнять вычисления над комплексными числами. Отметим, что на демонстрации своего компьютера Американскому математическому обществу (11 сентября 1940 г.) в Дартмутском колледже Дж. Стибиц управлял компьютером дистанционно по телефонной линии с телетайпом.

К тому времени Макс Ньюмэн решил 5-ю проблему Гильберта для специального случая. В 1949–1951 гг. он являлся Президентом Лондонского математического общества. О работе М. Ньюмэна по использованию «Colossus»

стало известно только незадолго до его смерти.

Первую электронную лампу создал в 1883 г. Томас Альва Эдисон (Thomas Alva Edison: 1847–1931). Эта лампа была двухэлектродной. В 1906 г. американский ученый Ли де Форест (Lee de Forest: 1873–1961), добавив сетку между электродами, изобрел триод.

О работах К. Шеннона, а также о работах В. И. Шестакова в 1935–1936 гг.

см. подробнее ниже в § 14.

Дж. Атанасов родился в Хамильтоне (Нью-Йорк) в семье инженераэлектрика и учительницы математики. Его отец Иван Атанасов был Джон В. Атанасов Дж. Атанасов получает степень бакалавра по электроинженерии в университете штата Флорида, годом позже – степень магистра в университете штата Айова (в Эймсе), а Ph. D. по теоретической физике в 1930 г. в университете штата Висконсин г. Мэдисон.

После чего Дж. Атанасов становится профессором математики и физики колледжа штата Айова (в Эймсе). Там Дж. Атанасов изучает возможности применения в научных исследованиях калькулятора Д. Монро (Monroe calculator) и табулятора фирмы IBM. В 1936 г. вместе со своим коллегой физиком Гленом Мерфи (Glen Murphy) Атанасов строит малый аналоговый калькулятор, названный «Лапласометром» (Laplaciometer). Этот калькулятор он использует для анализа некоторых многогранных1 разверток, многогранников.

В 1937 г. у Дж. Атанасова созревает идея строительства электронного цифрового компьютера. В 1939 г. он получает грант ($ 650), из которых $ 450 предназначены магистранту Клиффорду В 1965–1967 гг. в СССР В. А. Залгаллер (р. 1920) с помощью ЭВМ получает описание всех выпуклых многогранников с правильными гранями (см. [18]).

Берри (Berry Clifford Edward: 1918– 1963)1. Год спустя (в декабре 1940 г.) Дж.

Атанасов знакомится в Филадельфии с Джоном Моучли (John Mauchly: 1907– 1980) во время демонстрации последним своего «гармонического анализатора» и приглашает Дж. Моучли посмотреть на только что законченный цифровой электронный компьютер.

15 января 1941 г. компьютер, названный АВС (электрическая счетная машина с 300 вакуумными трубками), демонстрирует решение сложных алгебраических уравнений. В июне 1941 г.

Моучли посещает Атанасова в Вашингтоне и получает подробную схему АВС. (До этого Атанасов посылает документы в Чикаго патентному поверенному для регистрации патента на свой компьютер.) Д. Моучли четыре дня изучает АВС и просит дать ему кроме схемы подробное описание АВС. Позже при строительстве ENIAC он несколько раз встречается с Атанасовым, консультируясь по поводу постройки ENIAC (вместе с Джоном П. Эккертом (John Presper Eckert: 1919–1995)). Джону Атанасову при создании компьютера в качестве помощника был рекомендован профессоромэлектроинженером Гарольдом Андерсоном (Harold W. Anderson) Клиффорд Берри. Он был лучшим студентом у Г. Андерсона и под руководством последнего стал бакалавром. В 1941 г. Берри становится магистром физики. В 1948 г. он получает ученую степень Ph. D. по физике. Позже работает в С.Е.С.2 (до 1963 г.), дойдя до должности ее технического директора.

Клиффорд Берри родился и вырос в Айове.

C.E.C. = Consolidated Enginiring Corporation (Пасадена, Калифорния).

Джон П. Эккерт и Джон Моучли и авиационную базу США на Гавайских островах, называвшуюся Перл-Харбор. Разгром американских сил при Перл-Харбор выявил, в первую очередь, недостатки тяжелой береговой артиллерии при нацеливании на корабли противника. Нужны были артиллерийские таблицы и сотни женщин-вычислителей.

Профессор Д. Моучли, который как мы уже знаем, познакомился с компьютером АВС еще в 1941 г., добился у Армии США в 1943 г. денег на создание компьютера, решавшего эту задачу.

Приступил Д. Моучли к созданию ENIAC со своим лучшим студентом Дж. Проспером Эккертом и целой группой помощников в Пенсильванском университете.

В 1945 г. прошли успешные испытания ENIAC, а полностью работа была завершена в феврале 1946 г. Как известно, создание ENIAC1 (в течение 3-х лет) спонсировала Баллистическая Исследовательская Лаборатория Американской Армии. Она же привлекла к проекту ENIAC, по крайней мере на один год, Джона фон Неймана, работавшего над созданием бомбы в Лос-Аламосе.

При этом Джон фон Нейман предлагал сделать ENIAC одноадресной, но доктор Ричард Клиппингер (Richard Frederick Clippinger: 1913–1997) настоял на трехадресности ENIAC. ПроENIAC = Elektronik Numeral Integrator and Computer.

граммное обеспечение для ENIAC – заслуга 6 женщин-математиков: К. Макналти (Kay McNulty), Б. Дженнигс (Betti Jennings), Б. Снайдер (Betti Snyder), М. Уэскоф (Merlin Wescoff), Ф. Билас (Fran Bilas) и Р. Лихтерман (Ruth Lichterman).

Первоначально машина ENIAC содержала 18000 вакуумных ламп, 1500 реле, весила 30 тонн.

Ее существенными недостатками были:

а) отсутствие памяти, точнее, отсутствие хранимой программы;

б) постоянные ремонтные работы, т. к. за день работы выходили из строя десятки вакуумных ламп.

С первым недостатком удалось справиться к 1948 г., введя специальную память. Второе было долго бичом машины, однако выход, хотя и временный, был в том, что основная программа была нацелена на решение только одной задачи, а время между ремонтами позволяло решить ее.

Уже по окончании испытаний ENIAC в 1946 г. Моучли и Эккерт были объявлены СОЗДАТЕЛЯМИ ПЕРВОГО цифрового электронного компьютера. И только 27 лет спустя (в 1973 г.) в ходе длительнейших судебных процессов справедливость восторжествовала: создателями первого электронного цифрового компьютера признаны Дж. Атанасов и К. Берри. (Последний, как мы знаем, не дожил до этого дня.) На дальнейшее создание и использование ЭВМ большое влияние оказал четырехдневный симпозиум в Кембридже (штат Массачусетс, США), проходивший 7–10 января 1947 г.

(Symposium om Large Scale Digital Calculating Machinery), на котором выступил целый ряд крупнейших ученых США. В их числе: Г. Айкен, Р. Курант, В. В. Леонтьев, Г. Радемахер, Дж. Стибитц, Дж. Моучли и др.

Оценив и переработав идеи Эккерта и Моучли при создании ENIAC, привлеченный для работы великий американский математик Джон фон Нейман (John (Janos) von Neumann: 1903–1957) написал отчет, описывающий проект компьютера (EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer)). В нем предлагалось программу и данные хранить в единой универсальной памяти.

Кроме того, Джон фон Нейман выдвинул в своем отчете ряд принципов при построении компьютеров, которые теперь известны под названием «архитектура фон Неймана». Эти принципы и послужили фундаментом для разработки гибких, универсальных цифровых компьютеров. Об этих принципах мы расскажем при рассмотрении машины фон Неймана.

Вернемся теперь на несколько лет назад к одному из создателей аналоговых компьютеров Говарду Айкену (Howard Aiken:

1900–1973), чей доклад (1947), вместе со статьей Германа и Адель Гольдштейнов (1946)1, послужил катализатором строительства в СССР первой ЭВМ [20].

своей докторской диссертации разрабатывал аналитические счеты. В качестве В устройствах ввода-вывода им использовалась перфолента. Работа была закончена в 1944 г. Компьютер был назван Goldstein H. and Goldstein A. The Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC), 1946 (reprinted in The Origins of Digital Computers: Selected Papers.

Springer, New York, 1982. – P. 359–373).

«Гарвард Марк-1»1. Он «имел» в памяти 72 слова по 23 десятичных разряда каждое и мог выполнить любую команду за 6 секунд. Габариты «Марка-1» были внушительны: 15 м длина, 2,5 м высота.

В последующие два года была закончена работа над компьютером «Марк-2», содержавшем как реле, так и вакуумные лампы.

На упоминавшемся выше симпозиуме в Кембридже (7.01.1947 – 10.01.1947) Говард Айкен рассказал о «Марке-1», «Марке-2» и курсе лекций2, который читался в Гарварде.

Интересно, что уже на этом симпозиуме Г. Айкен высказал мысль, что «настанет время, когда вместо теперешних гигантских по размерам машин, гораздо более мощные и быстродействующие машины будут умещаться в обувной коробке». Кроме того, аппаратные средства будут дешеветь, а программные средства – становиться дороже. Хотя на симпозиуме в Кембридже не было Джона фон Неймана, его идеи по архитектуре компьютера так или иначе обсуждались3.

Напомним, что цифровой компьютер, по мнению фон Неймана, должен состоять из 5 частей: памяти, арифметико-логического устройства, устройства управления и устройств ввода и вывода.

Отметим, что в современных компьютерах арифметический блок и блок управления сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором.

Внутри арифметико-логического устройства находится особый внутренний регистр, называемый аккумулятором. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла Не путать с «Ferrari Mark 1» – компьютером, изготовленным в феврале г. в Манчестерском университете (Manchester Electronic Computer).

Aiken H. Organization of digital calculating machinery // Annals of the Computation Laboratory of Harvard University. – Vol. XXVII (1947/48).

Все 34 доклада были опубликованы в Annals of the Computation Laboratory of Harvard University.

в целости содержимое аккумулятора. Следует сказать, что Дж.

фон Нейман не планировал для своей машины выполнение арифметических команд с плавающей точкой (= запятой). Наконец, что немаловажно, Дж. фон Нейман считал, что в машине должна использоваться бинарная (= двоичная) арифметика.

Конец 40-х гг. XX столетия характеризуется взрывным интересом к созданию цифровых вычислительных машин.

Очень коротко скажем о некоторых. Моучли и Эккерт после 1946 г. модернизовали ENIAC (1948), а затем начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), но после их ухода проект закрыли.

Дж. фон Нейман, который консультировал и проект EDVAC, поехал в Принстон и сконструировал собственную версию EDVAC под названием IAS (Immediate Addres Storage – память с прямой адресацией) (1952).

В 1949 г. появилась машина EDSAC (= Electronic Delay Storage Computer). Ее сконструировал Морис Уилкс (Maurice Vincent Wilkes: 1913–2010)1 из Кембриджского университета.

EDSAC был первый в мире компьютер с хранимой в памяти программой2.

В корпорации Rand была построена JOHNIAC (1953), копия компьютера Дж. фон Неймана.

В университете Иллинойс – ILLIAC-1 (1952 г.);

в лаборатории Лос-Аламоса – MANIAC-1 (1952 г.);

в институте Вейцмана в Израиле – WEIZAC (1955 г.);

в университете Манчестера – «Малыш» (июнь 1948 г.) и Manchester Mark 1 (октябрь 1949 г.);

в Австралии – CSIRAC (ноябрь 1949 г.).

Сравнительные характеристики этих машин приведены ниже:

Подробнее о Моррисе Уилксе см.: введение к главе VIII.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) появится на EDSAC-2 (1953).

(США) Сolossus Mark 1 Февраль Двоичная Электрон. Нет (Великобритания) Сolossus Mark 2 Июнь Двоичная Электрон. Нет (Великобритания) Manchester SSEM (Великобритания) Manchester Mark1 Октябрь (Великобритания) (Австралия) Рис. 4.1. Схема вычислительной машины Дж. фон Неймана § 5. История создания компьютеров в России (до 1948 г.) История компьютеров в России – речь пойдет только о создании компьютерной техники – начинается во второй половине XVIII в. Весь период: 17641–1953 гг. мы поделим на 3 части:

1764–1917 гг., 1917–1946 гг., 1947–1953 гг.

О трех творцах первого периода (1764–1917), подданных Российской Империи: Вильготе Теофилле Однере (1845–1905), Бруно Абданк-Абакановиче (1852–1900) и Алексее Николаевиче Крылове (1863–1945), повлиявших на общемировое развитие компьютерной техники, уже было сказано ранее.

Заметим, что 1764 г. как начало периода создания компьютерной техники в России выбран не случайно. Именно воцарение Екатерины II стало временем резкого роста потребностей в вычислениях, прежде всего для нужд армии.

Екатерина II хорошо знала, что величайший математик XVIII в. Леонард Эйлер (1707–1783) потерял зрение при составлении таблиц для артиллерийской стрельбы.

Сейчас же мы остановимся на менее известных достижениях.

В 1770 г. часовым мастером и механиком Евлой Якобсоном была изобретена и построена механическая счетная машина, позволявшая складывать, вычитать, умножать и делить числа от до «1000 миллионов», а остающееся от деления можно здесь же расчленить на дроби. Сама машина имела размеры: 34.2 21.8 3. см. Она находится ныне в музее М. В. Ломоносова (г. СанктПетербург). О мастере Е. Якобсоне известно, что он жил и работал в г. Несвиж ( 100 км юго-западнее Минска)1. Добавим, что эта часть Белоруссии вошла в состав Российской Империи в результате разделов Польши именно при Екатерине II.

Отметим, что в машине Якобсона нет специального механизма для умножения, но эту операцию можно производить путем повторного сложения. Деление выполняется как последовательное вычитание с фиксацией количества вычитаний. Следует отметить компактность всего механизма – узлы соседних разрядов расположены на разных уровнях. Использование полудиска со ступенчатыми зубьями также оригинально решает проблему передачи и установки чисел [7].

В 1813 г. еще один часовых дел мастер Абрахам Штерн (Abraham Jakob Stern: 1769–1842) представляет в Варшаве свою счетную машину, над созданием которой он трудился 8 лет. По отзывам современников, например в немецкой газете «Leipziger Literaturzeitung», «…все, чего хотели достичь Паскаль, Поленус и Лейбниц, реализуется в машине Штерна».

В январе 1817 г. А. Штерн представляет свою вторую машину, позволявшую извлекать корни, а 17 апреля того же 1817 г. он делает очередной доклад на заседании «Варшавского общества Город Несвиж на протяжении 30–80-х гг. XVIII в. был резиденцией одного из крупнейших польских магнатов Радзивиллов, превративших этот город в один из культурных центров Речи Посполитой. Не случайно надписи на машине Якобсона сделаны на немецком, польском языках и латыни.

друзей науки», руководимого Станиславом Сташицем (Stanisaw Staszyc: 1755–1826), и представляет свою третью машину, соединившую возможности первых двух. Эта машина была показана и царю Александру I. В результате А. Штерн получил ежегодную пенсию в размере 330 рублей. Более того, А. Штерн был назначен руководителем Комитета (по устройству школ) и инспектором всех еврейских школ Царства Польского [21]. Добавим, что А. Штерн родился в Хрубишове в семье часового мастера, а умер в Варшаве. Его вычислительные машины не сохранились (были уничтожены во время восстания в Варшавском гетто в 1943 г.).

В 1828 г. генерал-майор Федор Михайлович Свободской, соединив несколько (до 12) русских счет под одной рамой, получил возможность умножения и деления целых чисел, что вместе со специальными таблицами существенно ускоряло расчеты.

При этом часть счет служила фактически оперативной памятью (на них оставляли промежуточные результаты). Подробно об этом приборе мы знаем из книги1 адъюнкта астрономии при Санкт-Петербургском университете Петра Васильевича Тихомирова (1803–1831). Он же указал и на другие возможности этого прибора: быстрое извлечение кубического корня из многоразрядных (до 21 разряда) чисел [7].

24 ноября 1845 г. в России был выдан патент на суммирующую машину Хаим-Зелика Слонимского (1810–1905), названную «снарядом для сложения и вычитания». Во многих книгах ошибочно написано, что за нее Х.-З. Слонимский получил Демидовскую премию. Он действительно получил эту премию, но за «новый числительный инструмент», основанный на теореме Слонимского, о кратных числах [23]. Эта машина была множительным устройством и создана в 1843 г. [22; 23]. Хаим-Зелик Тихомиров П. В. Арифметика на счетах. – СПб., 1830.

В литературе иногда встречается: Зиновий Яковлевич Слонимский.

Слонимский в 1844 г. демонстрирует свою множительную машину в Берлинской Академии наук и получает похвальные отзывы таких ученых, как Карл Якоби, Август Крелль, Фридрих Бессель и Александр Гумбольдт. А. Крелль даже публикует статью1 о теореме Х.-З. Слонимского и его множительной машине. 4 апреля 1845 г. Физико-математическое отделение Императорской Академии Наук заслушало Слонимского, где он представил машину и письменную формулировку своей теоремы. Присутствовавшие на этом заседании академики В. Я. Буняковский (1804– 1889) и П. Н. Фусс дали положительный отзыв и рекомендовали Слонимского к награждению Демидовской премией2.

Прежде чем говорить о теореме Х.-З. Слонимского, напомним некоторые определения. Возрастающую последовательность неотрицательных несократимых дробей, не превосходящих 1 со знаменателем, не превосходящим n, называют рядом (послеF1 0,1, F2 0, 1,1, F3 0, 1, 1, 2,1. Далее нам понадобится функция Crelle A. L. Dmonstration d’un thorm de Mr. Slonimsky sur le nombres, avec une application de ce theorem au calcul de chiffres // Jour. fr die reine und angewandte Mathematik. – V. 28 (1844). – S. 184–190.

Присуждена 17 апреля 1845 г. (присуждалась с 1831 г. в день рождения Александра II). Учреждена промышленником Павлом Николаевичем Демидовым (1798–1840).

Этот термин ошибочно ввел О. Коши. Джон Фарей (John Farey: 1766–1826) был геологом и опубликовал (без доказательства) ряд свойств последовательностей (Фарея), важнейшее из которых: если a, a ', a '' – три последовательных них. Фактически же ввел ряд Фарея и доказал основные его свойства математик Харос (Haros C.) (1802) в работе: Haros C. Table pour valuer une Fraction Ordinare avec Autan de Decimales qu’on Voudra; et pour Trouver la Fraction Ordinaire la plus Simples, et qui Approche Sensiblement d’une Fraction Dcimale.

– Annonces et Notice d’Ouvrages // Jour. De l’Ecole Polytechnique. Cah. 11. – T. (1802). – Р. 364–368.

Эйлера. Напомним, что функцией Эйлера (тотиент) называют арифметическую операцию n, значение которой равно количеству положительных целых чисел, не превосходящих n и взаимно простых с n. Для функции справедливо: 1 1, Для нас наиболее важным будет следующее свойство ряда Фарея: если Qn – число членов ряда Fn, то Теперь уже можно сформулировать теорему Слонимского.

Она состоит из нескольких утверждений:

1. Пусть имеем целое положительное число, записанное поразрядно: am am1...a2 a1 в системе счисления с основанием r.

Умножим его последовательно на числа 1, 2, 3, r-1 и полученные произведения подпишем одно под другим с соблюдением правил разрядов. В результате получим m + 1 столбцов (свободные места слева заполним нулями), каждый из которых содержит (r-1) цифру. Расположение цифр в столбце назовем представлением столбца. Умножение всевозможных чисел 1, 2, 3, r-1 порождает бесконечное множество представлений. Однако при этом число РАЗЛИЧНЫХ представлений будет конечным. Оно задается формулой В частности, при r = 101 получим т. е. Q9 29, и по формуле 2. Произведение любой дроби, заключенной между двумя соp седними фареевыми дробями i и i 1 на числа 1, 2, …, 9, (т. к. в нашем случае система счисления десятичная (r = 10)) порождает то же представление, что и для целых частей последовательности произведений на эти же числа (т. е. 1, 2, …, 9) фареевой дроби i.

Возьмем, например, пятнадцатую дробь из F9. Это 1 0,5.

Умножим 0,5 последовательно на числа 1, 2, 3, …, 9.

0,51 0,5; 0,5 2 1,0...; 0,5 3 1,50...; 0,5 4 2,0...; 0,5 5 2,50...;

0,5 6 3,0...; 0,5 7 3,50...; 0,5 8 4,0...; 0,5 9 4, Выпишем в виде столбца целые части полученных чисел:

Так можно составить матрицу из 28 столбцов и 9 строчек.

Эту таблицу назовем основной. Теперь для каждого основного столбца составим 9 производных столбцов, полученных при умножении на числа 1, 2, …, 9 следующим образом. Пусть взято число 7. Кратные этого числа будут: 7, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56, 63. Запишем их в виде столбца и прибавим к ним числа какогонибудь столбца основной таблицы. Например, пятнадцатый: т. е.

Т. е. в условиях десятичной системы счисления.

0,1,1,2,2,3,3,4,4. Получим: 7,15,22,30,37,45,52,60,67. Таким образом, всего у нас получится 280 столбцов, включая и 28 основных столбцов. Эти столбцы и составляют таблицу (или матрицу) Слонимского. И именно на основе данной таблицы создано им вычислительное устройство. К сожалению, прибор Слонимского не производился промышленностью. Тем не менее идеи Слонимского стали широко известны и повлияли на появление целого ряда вычислительных приборов.

Начнем с прибора Генриха Куммера, который он представил Императорской Академии Наук год спустя после Х.-З. Слонимского, т. е. в 1846 г. Более того, этот прибор тоже был выдвинут на Демидовскую премию. В своем запросе (от 11 декабря 1846 г.) на получение патента1 он пишет: «…что, хотя по собственному признанию Куммера, идея его прибора внушена ему Счетчиком Слонимского,… обращение с ним проще,… а стоимость изготовления меньше, чем прибора Слонимского».

Отметим, что о Генрихе Куммере в российских источниках указывалось лишь, что это «учитель музыки», изобретший счетный прибор, названный позже «счислителем Куммера» и производимый серийно в Петербурге механиком И. Э. Мильком. В немецких2 источниках (см. подробнее [23]) можно найти, что Генрих Куммер (Неirich Gotthelf Kummer (1809–1880))3 родился в Дрездене в семье композитора и фаготиста Готхельфа Генриха Куммера (1774–1857). С отцом он выступал, играя на фаготе, уже с 6 лет.

В 1831 г., не имея возможности содержать семью, он уезжает в Российскую Империю, где становится с 1837 г. первым фаготиПатент был выдан 29.03.1847 г. на 10 лет (см.: история [22, с. 586]). Любопытно, что описание патента было составлено Куммером на немецком языке.

Frstenau M. Kummer Heinrich // Allgemeine deutsche Biographie & Neue deutsche Biographie. – Leipzig: Krabbe-Lasota, 1883. – Bd. 17.– S. 369–371.

См.: Одинец В. П. Возвращаясь к Куммеру // Вестник Сыктывкарского университета. – Сер. 1. – № 15 (2012). – С. 147–149.

стом Императорского оркестра (в Петербурге). В 1851 г. он возвращается в Дрезден, заработав в России пенсию1. В 1869 г.

Г. Куммер получил и американский патент на свой счислитель, названный там «Henry Kummer» (см. [23; 24]2).

В 1882 г. на Всероссийской выставке были продемонстрированы счетные бруски3, созданные годом ранее механикомсамоучкой из местечка Петровичи Климовского уезда Могилевской губернии Г. З. Иоффе4. На 280 гранях 70-ти четырехгранных брусочков были размещены 280 таблиц Слонимского, с помощью которых получали произведение множимого на одноразрядный множитель. Для многоразрядных чисел при их умножении это существенно уменьшало число ошибок. Однако сложение производилось на бумаге [23].

Вернемся теперь на время в 1846 г. В августе Академия Наук дала положительный отзыв на арифметическую машину жителя г. Варшавы, часовых дел мастера Израеля Штафеля. Полное имя Абрахам Израель (Israel Abraham Staffiel)5. Прибор, по мнению академиков В. Я. Буняковского и Б. С. Якоби, обладал «…большой механической простотой». Как и машина Слонимского, выполнял четыре арифметических действия, но был в изготовлении много проще. Ранее в 1845 г. он демонстрировался на Выставке в Варшаве.

Отметим, что иностранцы, работавшие в Императорском оркестре, получали пенсию, правда, половинную, после 10 лет работы, а подданные Российской Империи – через 22 года.

См. также: Leipl T. Kummer and his 1847 slide adder / Mitteilungen zur Geschichte der Rechentechnick. – Heft 8 (2009). – P. 65–80 / 15 Internationales Treffen der Rechenschiebersammler und 4. Symposium zur Entwicklung der Rechentechnik 04.09–05.09.2009. (Herausgeber: W. H. Schmidt und W. Girbardt).

– Greifswald: Ernst Moritz Arndt Universitt, 2009. – 150 p.

В Германии они получили название «Ioffe Stnge».

В общедоступной литературе никаких сведений о Г. З. Иоффе не было (ни инициалов, ни откуда он родом).

Израель Штафель родился в 1814 г. Умер не ранее 1877 г.

После положительного отзыва Академии Наук прибор И. Штафеля был показан царю Николаю I, и тот распорядился наградить И. Штафеля 1500 рублями. Позже (в 1852 г.) прибор Штафеля был показан на выставке в Лондоне и был удостоен серебряной медали 2-й степени. Во многих вычислительных машинах второй половины XIX в. заметны конструктивные элементы машины Штафеля.

Добавим, что экземпляр машины был передан И. Штафелем в качестве дара в Академию Наук и хранится в музее М. В. Ломоносова.

Арифмометр Чебышева приставку к ней, позволяющую умножать и делить числа. В итоге этот механизм был назван арифмометром Чебышева. Однако в эксплуатации он проигрывал арифмометру Однера и не получил распространения.

Для улучшения обучения счету в школах и на бухгалтерских курсах в XIX в. были сделаны попытки модификации русских счет. В частности, такие усовершенствования были предложены в 1860 г. педагогом А. Н. Больманом1, а в 1872 г. изобретателем «Журнала Общества счетоводов» Федором ВенедиктовиБольман А. Н. Полная арифметика на счетах. – 3-е изд. – СПб., 1871. – 156 с.

чем Езерским (1836–1916) и в 1867 г. академиком-математиком Виктором Яковлевичем Буняковским (1804–1889)1.

Были в дореволюционной России и некоторые другие изобретения вычислительных машин, но они не оказали существенного влияния на развитие вычислительной техники.

В период с 1917 по 1945 г. шло усовершенствование арифмометра Однера, клавишных сумматоров, а с конца 20-х гг. и аналогичных машин. В связи с организацией в 20–30-е гг. машинно-счетных станций профессия вычислителя в СССР перестает быть исключительной.

В 1926 г. математик Сергей Аронович Гершгорин (1901– 1933) публикует описание прибора для интегрирования дифференциального уравнения Лапласа2, который был позже (1929) изготовлен. Одновременно им был разработан метод сеток, нашедший широкое использование уже при использовании ЭВМ.

В 1935 г. в СССР была выпущена первая электродинамическая счетно-аналитическая машина (САМ) – модель Т-1.

В 1939 г. Исаак Семенович Брук (1902–1974) построил аналоговую вычислительную машину, существенно улучшив «дифференциальный анализатор Буша».

В 1945–1946 гг. под руководством Льва Израилевича Гутенмахера (1908–1981) строятся первые электронные аналоговые вычислительные машины (АВМ) с повтореЛ. И. Гутенмахер нием решения.

Модификация русских счет в механические устройства известна как «самосчеты» Буняковского (см. [7]).

Гершгорин С. А. К описанию прибора для интегрирования дифференциального уравнения Лапласа // Журнал прикладной физики. – 1926. – Т. 3. – С. 271–274.

под руководством Сергея Александровича Лебедева (1902–1974) электронная аналоговая машина для решения § 6. История создания компьютеров в России (1948–1954 гг.) В августе 1948 г. И. С. Брук и Б. И. Рамеев представили первый в СССР проект «Автоматической цифровой электронной машины». В этом проекте была дана принципиальная схема вычислительной машины (ВМ). Арифметические операции определены в двоичной системе счисления, управление работой ВМ должно было происходить от «главного программного датчика», который считывал бы программу, записанную на перфоленту, и выдавал бы результат тоже на перфоленту.

4 декабря 1948 г. на имя И. С. Брука и Б. И. Рамеева было выдано авторское свидетельство (первое в СССР) в области цифровой электронной ВМ.

Заметим, что в конце 1947 г. в Институте электротехники (ИЭ) АН УССР постановлением Президиума АН была создана лаборатория № 1 (спецмоделирования и вычислительной техники), которую возглавил директор ИЭ член-корреспондент АН СССР С.А. Лебедев, а в начале 19481 г. было объявлено, что задачей лаборатории будет строительство за 2–3 года ЭВМ, названной позже Модельной Электронно-Счетной Машиной (МЭСМ)2 [20].

Архитектура МЭСМ состояла из:

1. Арифметического устройства (АУ) – для выполнения арифметических задач.

2. Запоминающего устройства (ЗУ) – для хранения чисел и 3. Устройства управления (УУ), осуществляющего общее управление и дающего командные импульсы.

4. Вводного устройства (ВВУ) и Выводного устройства (ВУ).

Арифметическое Арифметическое В своих воспоминаниях С. А. Лебедев пишет, что созданием цифровых ЭВМ он занялся в конце 1948 г. [26].

Позже «Модельная» было заменено на «Малую».

Кроме того, в архитектуру включались внешние устройства (ВНУ) хранения исходных данных и программ и результатов расчетов машиной.

трехадресной. Система счисления предполагалась двоичной. Форма представления чисел – с фиксированной запятой. Количество разрядов – первоначально равным 17 (включая разряд для математиков, прежде всего Бориса Владимировича Гнеденко (1912–1995), Селима Григорьевича Крейна (1917–1999) В декабре 1951 г. комплексная отладка была закончена и начались ее испытания, а 25 декабря 1951 г. машина С. А. Авраменко Автор благодарит Г. М. Полотовского, приславшего фотографию С. А. Авраменко из музея в Сарове.

4 января 1952 г. Президиум АН СССР в выписке из протокола своего заседания сообщает о введении в эксплуатацию первой в СССР быстродействующей электронной цифровой машины. (О том, что еще 15 декабря 1951 г.

введена в эксплуатацию вычислительная машина Н. С. Брука по соображениям секретности (она обслуживала атомный проект) писать в протоколах было нельзя!) А что же в это время с ЭВМ И. С. Брука и Б. И. Рамеева? О ней в 1949 г. старались не вспоминать, т. к.

внимание АН СССР было приковано к созданию МЭСМ.

Ситуация изменилась через год. В марте 1950 г. в Лабораторию Энергетического института АН СССР, где работал1 И. С. Брук, были по просьбе И.С. Брука направлены несколько выпускников МЭИ2, и в их числе НикоИ. С. Брук лай Яковлевич Матюхин (1927–1984), который, несмотря на диплом с отличием, не был принят в аспирантуру МЭИ. И. С. Брук сразу поставил задачу – создание цифровой вычислительной машины.

Через 2,5 месяца Президиум АН СССР, недовольный медленными темпами строительства МЭСМ, дает задание ЭИ о строительстве ЦВМ, оформленное в виде постановления.

Здесь следует сказать, что уже в 1949 г. у руководства СССР изменился взгляд на необходимость создания ЭВМ.

Подтолкнула к этому необходимость огромного числа вычислений при осуществлении советского атомного проекта. Постановлением Совета Министров СССР № 1990-774 СС/ОП от июня 1948 г. «О дополнительных заданиях по плану специальных И где до 1945 г. работал С. А. Лебедев.

Московского Энергетического института.

научно-исследовательских заданий на 1948 г.» за подписью И. В. Сталина (1879–1953) предусматривалось расширение групп вычислителей лаборатории № 2 МИАН1 СССР (в Москве) под руководством И. М. Виноградова, в ЛОМИ2 (в Ленинграде) – под руководством Л. В. Канторовича и в Институте геофизики АН СССР – под руководством А. Н. Тихонова.

Группы занимались расчетами критических масс ядерных зарядов и другими расчетами. Разумеется, эти группы были секретными [26].

В 1949 г. член Президиума АН СССР Михаил Алексеевич Лаврентьев (1900–1980) пишет письмо И. В. Сталину о необходимости создания Центра Вычислительных Машин для задач обороны страны и ускорении в СССР исследований в области дискретной вычислительной техники [26; 27]. Через полмесяца выходит секретное постановление Совета Министров СССР о создании Специального Конструкторского Бюро (СКБ-245) для выпуска ЦВМ для нужд обороны и о назначении Михаила Алексеевича Лаврентьева директором создаваемого ИТМ и ВТ3 и о разработке ЭВМ в специальном конструкторском бюро (СКБ-245)4 и в Академии Наук. Так что постановление Президиума Академии Наук о строительстве ЭВМ в ЭИ было вполне ожидаемым.

Начальником СКБ-245 (и его создателем) был Михаил Авксентьевич Лесечко (1909–1984)5, а руководителем отдела по созданию ЭЦВМ и главным конструктором (ГК) – Юрий Яковлевич Базилевский (1912–1983), до этого директор специального констМИАН – Математический институт им. В. А. Стеклова Академии Наук СССР.

ЛОМИ – Ленинградское отделение МИАН СССР.

Институт Точной механики и вычислительной техники АН СССР.

СКБ-245, а также НИИ Счетмаш были созданы на базе Московского завода счетно-аналитических машин (САМ).

По документам М. А. Лесечко получил задание по созданию СКБ-245 еще в 1948 г., будучи так же назначенным директором САМ. Позже М. А. Лесечко станет Министром приборостроения СССР, заместителем Предсовмина СССР.

рукторского бюро (СКБ) при заводе «Манометр». Разработчиком ЭЦВМ являлся Б. И. Рамеев. Следует сказать, что в 1949 г. Б. И.

Рамеева неожиданно вновь призвали в армию и отправили на Дальний Восток. С большим трудом И. С. Бруку удалось вернуть Б. И. Рамеева в Москву, а там уже он был приглашен в СКБ- на должность заведующего Лабораторией [25].

Итак, в СССР в 1950 г. одновременно разрабатывались и строились три ЭВМ. Достаточно подробно во многих изданиях описывается строительство МЭСМ. К сожалению, из-за условий секретности только сравнительно недавно снят гриф с отчета ЭИ АН СССР, подписанный директором ЭИ академиком Г. М. Кржижановским (1872–1959) о том, что 15 декабря 1951 г. закончены испытания и принята в эксплуатацию ЭЦВМ М-1. (Иными словами, М-1 принята в эксплуатацию на 10 дней раньше МЭСМ!) Но и это еще не все!

Все логические схемы в М-1 были сделаны на купроксных выпрямителях (правда, трофейных), т. е. М-1 была первой в мире ЭВМ, в которой все логические схемы сделаны на полупроводниках.

М-1 делало всего 15–20 операций в секунду над 23-разрядными числами. Емкость ее составляла 256 слов. И она в отличие от МЭСМ была двухадресной машиной. Первые задачи, которые решались на М-1, ставились академиком Сергеем Львовичем Соболевым (1908–2003), который в тот период времени был заместителем Игоря Васильевича Курчатова (1903–1960) и возглавлял математическую часть атомного проекта в СССР. В Арзамасе- (Сарове) математическую часть возглавлял Николай Николаевич Боголюбов (1909–1992), которого сменил в 1953 г. упоминавшийКупроксный выпрямитель – меднозакисный полупроводниковый (твердый) выпрямитель, преобразующий переменный электрический ток в постоянный ток одного направления.

1950 г., а в конце 1952 г. первый экземпляр машины был готов к отладке. В середине 1953 г. «Стрела» была принята в память – 2048 слов, разрядность – 43, постоянное ЗУ на полупроводниковых диодах2. Машина, как и МЭСМ, была трехадресной.

Выпускалась серийно на Московском заводе счетно-аналитических машин (САМ) с 1953 по 1956 г. Всего было выпущено машин, в том числе для ВЦ-1 МО СССР, ВЦ АН СССР, для ВЦ КБ-11 (Арзамаса-16).

Задачи для «Стрелы» ставились уже Мстиславом Всеволодовичем Келдышем (1911–1978), который стал (после С. А. Лебедева) директором Института Теоретической Механики и Вычислительной Техники.

В середине 1951 г., еще не дожидаясь сдачи МЭСМ в эксплуатацию, С. А. Лебедев был вызван в Москву и назначен директором Института Теоретической Механики и Вычислительной Техники (сменив М. А. Лаврентьева). Главной его задачей будет разработка и создание быстродействующей (большой) электронНапомним, что МЭСМ оставалась в Феофании (15 км от Киева), т. е. на территории Украины.

Внешнее ЗУ – два накопителя на магнитной ленте; ввод данных – с перфокарт и с магнитной ленты; вывод данных – на магнитную ленту, перфокарты и широкоформатный принтер.

ной вычислительной машины (БЭСМ). Отладка БЭСМ (ее позже назовут БЭСМ-1) была закончена в 1953 г. и одновременно со «Стрелой» представлена на Сталинскую премию.

С. А. Лебедев рассчитывал, что БЭСМ-1, имевшая быстродействие 8–10 тыс. операций/сек, количество разрядов 39 с плавающей запятой, систему команд – трехадресную, общее поле памяти для команд и чисел 2047 39-разрядных ячеек, внешнюю память – на 2-х магнитных барабанах по 5120 слов и 4-х магнитных лентах по 30 000 слов, ввод с перфоленты (со скоростью кодов/сек), печать на бумагу – по 20 чисел/сек, – победит в конкурсе. Но ошибся.

Предпочтение отдали «Стреле», ведь она уже пошла в серию (была готова техническая документация) и была существенно дешевле БЭСМ.

В октябре 1953 г. БЭСМ являлась самой быстродействующей ЭВМ, созданной в Европе, но в Европу с декабря 1950 г. уже начали поступать коммерческие машины из США (IBM 701). Им БЭСМ уступала и по быстродействию, и по объему памяти.

На основе архитектуры БЭСМ-1 в 1954 г. началась разработка БЭСМ-2 для серийного производства. Так как ИТМ и ВТ АН СССР не имел своего завода, то это оказалось весьма хлопотным делом. Для серийного производства был выделен завод им. Володарского в Ульяновске, и только в 1958 г. там пошла серия – всего 67 машин, которые выпускались до 1962 г. включительно.

Другая разработка М-40 (коренная модификация БЭСМ-2) – для управления РЛС дальнего обнаружения и сопровождения цели и точного наведения противоракеты на баллистическую ракету противника. В марте 1961 г. (на 32 года раньше американцев!) на этом комплексе впервые в мире была ликвидирована боевая часть баллистической ракеты осколочным зарядом противоракеты. Главным конструктором был С. А. Лебедев, а основным разработчиком – будущий академик Всеволод Сергеевич Бурцев (1927–2005). ЭВМ М-40 начала выполнять боевые задачи еще в 1957 г., при этом ее быстродействие повысилось – 40 тыс. операций/сек, но с фиксированной запятой.

Другая вполне гражданская модификация БЭСМ-1 под названием М-20 изготовлялась на заводе САМ с 1959 по 1964 г.

Всего было произведено 20 машин. Они были трехадресными, быстродействие 20 тыс. операций/сек.

Вернемся вновь в Лабораторию электросистем Энергетического Института. С апреля по декабрь 1952 г. под руководством И. С. Брука была разработана и смонтирована малая ЭВМ для научных расчетов – М-2. Коллектив разработчиков возглавил М. А. Карцев (1923–1983). С января 1953 г. машина М-2 эксплуатировалась круглосуточно. Ее оперативная память существенно возросла – в 1956 г. она имела емкость 4096 чисел, быстродействие 2000 операций/сек.

На М-2 проводились расчеты для Института атомной энергии (заказчик: академик С. Л. Соболев), для Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР (заказчик: академик А. И.

Алиханов). Для Института проблем механики АН СССР был проведен расчет прочности плотин Куйбышевской и Волжской гидроэлектростанций. Решались и другие интересные и важные задачи, в частности для НИИ-108 (директор: академик Аксель Иванович Берг (1893–1979)).

В июне 1954 г. при обсуждении доклада профессора Алексея Андреевича Ляпунова (1911–1973) в ЭНИН об использовании математических машин в логических целях [27, с. 73–75], ученик И. С. Брука Николай Яковлевич Матюхин (1927–1984), будущий член-корреспондент АН СССР, выражая и свое мнение, и мнение И. С. Брука, высказался о необходимости создания малой ЭВМ, предназначенной для научных, инженерных и управленческих расчетов в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях. Заметим, что Н. Я. Матюхин уже работал по собственной инициативе над такой машиной с 1953 г. Как говаривали в советское время, «инициатива наказуема». Н. Я. Матюхин явочным порядком строит вместе с Главным конструктором и совместно с группой Бориса Моисеевича Кагана (1918–2009) из Института электропромышленности (ныне ВНИИ ЭМ) такую ЭВМ, названную М-3. Однако М-3 была введена в эксплуатацию только в 19561 г. Как и в М-1, в машине М-3 широко использовались полупроводниковые элементы. Машина М-3 стала основой для развития математического машиностроения в Минске и Ереване (туда была передана вся документация).

На базе лаборатории И. С. Брука в 1956 г. появилась лаборатория управляющих машин и систем (ЛУМС) АН СССР. В 1958 г.

эта лаборатория была преобразована в Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) АН СССР, первым директором которого и стал И. С. Брук.

Вернемся теперь вновь в 1953 г. в СКБ-245. Уже в середине 1953 г. Б. И. Рамеев становится Главным конструктором семейства малых ЭВМ «Урал». В качестве базы для выпуска «Уралов»

(от Урала-1 до Урала-16) был выбран Пензенский завод счетноаналитических машин. В 1955 г. Б. И. Рамеев переезжает туда (на 10 лет) с группой выпускников МИФИ, которым он в 1951– гг. читал курс лекций по цифровой вычислительной технике (раЭто связано с тем, что формально машина М-3 была создана инициативно, т. е. не была включена в планы работ ИЭ. Поэтому Госкомиссия долго не хотела принимать машину и только необходимость загрузить работой новые производства ЭВМ в Минске и Ереване решили дело.

Он проработал директором до 1964 г. И. С. Брук, будучи пропагандистом методов линейного программирования Л. В. Канторовича, динамических моделей экономики и межотраслевого баланса В. В. Леонтьева (1905–1999), слишком открыто выступал за создание достоверной базы соотношений цен, что руководителями АН СССР было воспринято как «ересь». В итоге, И. С.

Брука сняли с должности директора.

ботая в МИФИ по совместительству) и которые проходили практику у Б. И. Рамеева в СКБ-245.

Забегая вперед, отметим, что до 1967 г. развитие вычислительной техники в СССР шло весьма бурными темпами. Однако принятое решение на совместном заседании Комиссии по вычислительной технике АН СССР (председатель А. А. Дородницын) и Совета по вычислительной технике ГКНТ1 при Совете Министров СССР (председатель В. М. Глушков2) от 26 января 1967 г. о структуре и архитектуре третьего поколения ЭВМ – необходимости копирования американской IBM-360 – на 10 лет затормозило собственное развитие в СССР вычислительной техники, прежде всего для гражданского применения3. Что касается применения ЭВМ для военных целей, а также Космоса, то там развитие шло, но существенно медленнее.

Заключительные замечания Как и всякая периодизация, периодизация развития компьютерной техники носит условный характер. Снятие грифов секретности со многих материалов, связанных с созданием компьютеров, позволило уточнить, а иногда и изменить сложившиеся стереотипы об истории компьютерных наук (см., например, [28]). С другой стороны, археология и архивное дело позволили найти ГКНТ – Государственный Комитет по Науке и Технике.

Позиция В. М. Глушкова была тем более удивительна, что в возглавляемом им ВЦ Академии наук Украины была к 1961 г. разработана и построена (под руководством Б. Н. Малиновского) цифровая Управляющая Машина Широкого Назначения (УМШН) «Днепр», не уступавшая по многим показателям американской RW-300, законченной также в 1961 г. [142]. Позже на основе УМШН «Днепр» под руководством Б. Н. Малиновского были созданы первые советские бортовые ЭВМ ракетно-космических комплексов.

Мнение С. А. Лебедева, И. С. Брука, Б. И. Рамеева и других главных конструкторов, выступавших «против» на этом заседании, услышано не было.

свидетельство существования компьютеров, не укладывающихся в традиционную периодизацию. Тем не менее главное направление в имеющейся периодизации остается правильным. Итак:

Преднулевое поколение компьютеров (100 г. до н. э. – 1623 г. н. э.).

Нулевое поколение компьютеров (так называемые «механические» компьютеры (1623–1939/40)).

Первое поколение – ламповые компьютеры (1940/41–1951).

Второе поколение – транзисторы (1952–1965).

Третье поколение – интегральные схемы (1965–1980).

Четвертое поколение – сверхбольшие интегральные схемы (1980– 1990).

Пятое поколение (1990–2000) – это поколение компьютеров для обработки знаний и работы со сверхбольВ. М. Глушков шими базами данных, а также суперкомпьютеры для научных исследований. В СССР был создан (к 1988 г.) прототип компьютера пятого поколения «Марс», оказавшийся невостребованным.

Шестое поколение (2000 – по настоящее время) – это оптоэлектронные компьютеры, оптические компьютеры, биокомпьютеры и молекулярные компьютеры, и, наконец, квантовые компьютеры (подробнее см. [140]).

Достоинство оптических и оптоэлектронных компьютеров, кроме быстродействия и компактности, состоит в том, что световые потоки в них, в отличие от электрических, могут пересекаться, что не влечет сбоев.

Что касается биокомпьютеров и молекулярных компьютеров, то они еще только разрабатываются.

Добавим еще, что российский суперкомпьютер «Ломоносов»

был в 2010 г. двенадцатым (по скорости) суперкомпьютером в мире (350 терафлоп операций в секунду).

Новые решения, заложенные в «Ломоносове», уже были фактически апробированы в комплексе ЭВМ «Эльбрус-2» и «Эльбрус-3», созданных в свое время для первого (и самого мощного по своим возможностям) в мире плавающего командно-аналитического комплекса «Урал»1.

Этот корабль с двумя атомными энергетическими установками (длина м, ширина до 32 м) был сдан в эксплуатацию в 1990 г. и до сих пор стоит у причала «Большой Камень» во Владивостоке.

Глава II. История развития теории алгоритмов Введение Напомним, что появление алгоритмов восходит к глубокой древности: более 4000 лет тому назад в Египте в период Древнего царства (т. е. 3 тысячелетие до н. э.) из папируса Ахмеса (1575 г.

до н. э.) (см. [3, с. 17–19]) следует, что у египтян существовал алгоритм представления любой положительной рациональной дроби в виде суммы простых дробей, т. е. дробей вида 1/n, где n – натуральное число. Найденные археологами глиняные таблички времен Хаммурапи (XVIII в. до н. э.) с теоремой Пифагора и ее применениями, а также еще более древние таблички с вычислением обратных чисел ясно свидетельствуют о реальном появлении алгоритмов у древних шумеров.

В Древнем Китае до (213 г. до н. э.) трактат «Математика в девяти книгах» содержал уже много различных алгоритмов.

В индийских «Ведах», написанных на санскрите до VI в. до н. э., уже есть алгоритмы нахождения арифметических и геометрических прогрессий.

Уже в IV в. до н. э. Теэтет из Афин (410, 368 г. до н. э.) вводит алгоритм, названный позже алгоритмом Евклида.

Наконец, в IX в. н. э. математик Ал-Хорезми (787–850) пишет два трактата, один из которых при переводе на латынь в XII в. и дал название алгоритм (искажение фамилии Ал-Хорезми) (см. [3]).

Становление во второй половине XIX в. теории множеств и возникшие в этой связи парадоксы остро поставили вопрос об алЭта глава, в отличие от остальных, адресована, в первую очередь, будущим математикам и информатикам. Другие читатели могут ее пропустить без ущерба для понимания.

горитмической разрешимости или неразрешимости многих математических задач.

К 20-м гг. XX в. стало очевидно, что это невозможно сделать без точного определения понятия алгоритм.

Сыграл в этом свою роль и прогресс вычислительных устройств, обозначивший проблему определения границ класса задач, которые в будущем могли бы решаться с помощью вычислительной техники.

Прежде чем давать точное определение алгоритма, выделим пять свойств алгоритмов, как говорят «в интуитивном смысле», важных в дальнейшем.

1. Дискретность предписаний, что означает, что каждый алгоритм должен содержать конечное число последовательно выполняемых указаний, выбранных к тому же из конечного (общего для всех алгоритмов в интуитивном смысле) набора типов предписаний.

2. Конструктивность данных предполагает, что входные и выходные данные алгоритма представляют собой конечные наборы состояний, взятых из счетного множества состояний.

3. Детерминированность алгоритма позволяет говорить об однозначной определенности результата каждого предписания предыдущим состоянием параметров алгоритма.

4. Массовость алгоритма означает возможность использования в качестве входных данных широкого набора строк над выбранным алфавитом.

5. Замкнутость алгоритма предполагает, что выполнение вычислений производится в точном соответствии с предписаниями и не требует привлечения никаких внешних устройств или дополнительных данных.

Заметим, что в теории алгоритмов особую роль играет так называемый тезис формализации: любой алгоритм (в интуитивном смысле) может быть смоделирован в рамках данной вычислительной модели. Разумеется, это утверждение не является математическим1.

Отметим, что в 30–40-х гг. было построено несколько вычислительных моделей:

машина Поста;

машина Тьюринга;

частично-рекурсивные функции (вычислительная модель нормальные алгоритмы Маркова.

Были еще и другие вычислительные модели, но мы остановимся на этих четырех.

§ 7. Вычислительная модель Поста Исторически первой в печати (сентябрь 1936 г.) появилась статья Эмиля Поста [30]. В ней была определена так называемая машина Поста.

Итак, машина Поста – это:

1. Бесконечная (в обе стороны) лента, разделенная на секции2.

2. Каждая секция либо пустая, либо в ней записана метка3.

3. Каретка, которая:

а) может сдвигаться вдоль ленты влево или вправо (за единицу времени сдвиг может быть лишь на одну секцию);

б) может стоять неподвижно; в этом случае она дает информацию о секции, против которой она стоит – пуста ли секция или занята;

Правда, его можно обосновать в рамках метаматематики.

В статье [30] сам Пост называет секции «ящиками».

Состоянием ленты будем называть функцию fc : {, метка}.

i j (команда движения вправо).

i j (команда движения влево).

i j (команда печатания метки).

i j (команда стирания метки).

i ? 1 (команда передачи управления).

i stop (команда остановки) (или «останов»).

Число i (с точкой), стоящее в начале команды, называется номером команды. Число j (либо j1, j2 ), стоящее в конце команды, называется отсылкой, при этом в команде передачи управления j1 называется верхней отсылкой, а j2 – нижней отсылкой. У команды остановка (= останов) нет отсылки.

Программой машины Поста будем называть конечный непустой список команд Поста со следующими двумя свойствами:

1. Все номера команд идут по порядку (без пропусков), начиная с 0.

Сам Пост обозначений командам не давал. Наши обозначения следуют [31].

2. Номера отсылок будут инъекцией в список команд программы машины Поста1.

Для работы машины Поста задают: а) некоторую программу;