Разностная машина Чарльза Бэббиджа

Английский математик, изобретатель первой аналитической машины Чарльз Бэббидж (1791-1871) открыл новую страницу в истории вычислительной техники. Именно, его машина, в состав которой входили основные части современных ЭВМ, изобретенная в 19 веке, считается прообразом компьютера. Идею создания первой разностной машины Бэббидж почерпнул из работ французского ученого, барона Гаспара де Прони, руководителя бюро переписи при французском правительстве с 1790 по 1800 год. Гаспар де Прони занимался улучшением логарифмических, тригонометрических таблиц, так как в них было допущено много ошибок. Ему принадлежит идея разделить людей, проводящих вычисления на три группы. В первой группе - наиболее квалифицированные 5-6 математиков подготавливали математическое обеспечение, занимались выбором формул и составляли схемы расчетов. Во второй - 7-8 математиков подготавливали процесс вычислительных работ, определяли значение функций для аргументов стоящих друг от друга на 5 или 6 интервалов. В третьей - почти 90 вычислителей с низкой квалификацией производили рутинные расчеты, аккуратно складывали и вычитали. Математические таблицы находили применение в разнообразных областях, а из-за небрежности вычислений в астрономических картах и в навигационных таблицах встречалось большое количество ошибок, неизбежных при человеческом факторе, которые могли привести к трагическим последствиям. Бэббидж задался целью заменить работу вычислителей, механической машиной. Ему хотелось сконструировать вычислительное устройство, способное вычислять быстро, правильно и фиксировать результаты табулирования (вычисления математических таблиц) на бумаге, чтобы избежать ошибок, возникающих при рукописной копии и печати. Чтобы улучшить "Морской справочник" и исправить ошибки в астрономических, навигационных и логарифмических таблицах Чарльз Бэббиддж с 1819г. по 1822 г. сконструировал небольшую рабочую модель малой разностной машины, способную производить вычисления и печатать таблицы квадратов, важных для навигации. Машина состояла из валиков и шестерней, которые вращались вручную при помощи рычага. Название "разностная машина" основано на том, что её работа основывалась на методе конечных разностей. Комплекс вычислений совершался с использованием операции сложения. Все сложно реализуемые операции деления и умножения сводились к простым сложениям известных разностей чисел. Машина могла работать с шестизначными числами и вычислять функции с постоянными вторыми разностями с точностью до восьмого знака. В 1823 году за работу по созданию вычислительной машины Бэббиджа наградили первой золотой медалью Астрономического общества. Но малая разностная машина была пробной, имела небольшую память и не могла быть применена для значительных вычислений. В 1823 году по рекомендации Королевского общества Бэббидж получает деньги от правительства Великобритании в размере 1500 фунтов стерлингов для создания большой разностной машины способной вычислять значение многочлена до шестой степени с точностью до 20 знака и автоматически печатать результаты. Правительство было заинтересовано в создании более точных навигационных, астрономических и тригонометрических таблиц. Бэббидж рассчитывал закончить этот проект за 3 года, но изготовить и собрать все детали машины оказалось намного сложнее, чем он предполагал. Нужно было сделать сотни сложных идентичных деталей с высокой точностью, однако в то время не было автоматического производства для массового изготовления повторяющихся деталей. Сложность и точность необходимых для машины деталей находились за пределами возможностей технологии того времени. По проекту Бэббиджа разностная машина должна была состоять из 25000 деталей, высота её 2,4м, длина 2,1 м, ширина около 0,9 м, вес приблизительно 15 тонн. Для осуществления проекта он нанял чертежника и опытного инструментального мастера Джозефа Клемента. Им приходилось проектировать и изобретать новые детали машины, так как приобрести их было невозможно. Это была безрезультатная и утомительная работа, которая растянулась на десятилетие и не приносила желаемых результатов. Одержимость к совершенству толкала Бэббиджа вносить бесчисленные изменения в конструкцию, а рабочим приходилось изготавливать новые детали. Денег катастрофически не хватало, хотя правительство в общей сложности выделило ему 17000 фунтов стерлингов, и он потратил средства из собственных доходов в сумме 6000 фунтов стерлингов, в надежде, что ему их вернут, постоянно были затруднения с получением денег из казны. Но все же, часть разностной машины была собрана в 1832году инженером Бэббиджа, Джозефом Клементом и испытана, производила вычисления с большей точностью, чем предполагалось. Она состоит приблизительно из 2000 деталей и представляет собой одну седьмую часть разностной машины Чарльза Бэббиджа. Часть незавершенных устройств Чарльза Бэббиджа представлены в Музее науки в Лондоне (London Science Museum), как наиболее известные экспонаты, которые сыграли большую роль в предыстории вычислительной техники. Процесс сборки разностной машины затягивался из-за конфликта между Чарльзом Бэббиджем и Джозефом Клементом по финансированию строительства. В 1833 году заканчивается постройка мастерской, со стеклянной крышей для освещения и специальной комнатой, защищенной от пожара, предназначенной для хранения машины. Переезд в новое здание вызывает паузу в работе. Джозеф Клемент, работающий над созданием машины, потребовал компенсацию за простой рабочих, из-за перемещения мастерской ближе к новому дому ученого. Бэббидж отказал ему, потому что платить пришлось бы со своего кармана. Работы были приостановлены, так как Клемент забрал все инструменты и отказался от дальнейшего участия. С 1934 года Бэббидж работает над созданием нового проекта - аналитической машины. В процессе работы над ней, он опять вернулся к первоначальному проекту и начинает разрабатывать чертежи по упрощению разностной машины. Финансирование проекта с 1842 года было прекращено. Усовершенствованный проект, которым он занимался в период с 1847 г. по 1849 г. получил название "Разностная машина №2" (Difference Engine № 2). В основу проекта вошли наработки от аналитической машины, при сохранении всех возможностей машины уменьшалось количество деталей до 8 тысяч, и вес примерно до 5 тонн. Бэббидж не построил эту машину, ни одна машина не была построена им полностью, только частично завершенные механические сборки, тестовые модели небольших работающих секций. В 1989-1991г.г. к 200-летию со дня рождения Чарльза Бэббиджа сотрудники Лондонского музея науки закончили воссоздание вычислительной части разностной машины № 2 по его подлинным чертежам из материалов, соответствующих тому периоду. Для изготовления повторяющихся деталей использовалась современная техника с соблюдением технологии и возможностей XIX века. Вычислительная секция состоит из 4 тыс. деталей, весом 2,6 тонн, длиной в 3,4 м, высотой - 2,1 м, шириной - 5,5м. В 2000 году в музее собрали печатающее устройство Бэббиджа такое же по размерам, весом 2,5 тонн. Натан Пол Мирвольд, бывший главный технический директор Microsoft профинансировал возведение секции вывода, выполняющую печать и стереотипирование полученных результатов, а также попросил построить второй разностной двигатель № 2 для своей компании "Интеллектуальные предприятия", который выставлялся до 31 декабря 2016 года в Музее истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния, США. После устранения небольших неточностей (возможно, они были сделаны изобретателем на случай кражи чертежей) была доказана работоспособность устройств Чарльза Бэббиджа.

Большую роль в судьбе машин выявил сын ученого генерал Генри Превович Бэббидж. В 1874 году, уйдя в отставку, он посвятил свое время изучению и продолжению дела, которое начал отец. В 1880 году он начал работать по созданию частей мини-копий моделей разностной машины №1, изготовил почти шесть экземпляров. В 1888 году Генри Бэббиджу удалось по чертежам отца возвести узел аналитической машины, состоящий из "мельницы" (арифметическое устройство) и печатающего механизма. Работа продолжалась до 1896 года. Затем последовал десятилетний перерыв. А к 1909 году совместно с фирмой Монро сделал работоспособную модель аналитического двигателя, способного вычислять и печатать итоги вычислений.

В 1834 году в "Эдинбургском обозрении" была напечатана статья доктора Дианисия Ланднера "Вычислительная машина Бэббиджа", в которой детально был описан принцип работы и конструкция машины. Эта статья подтолкнула состоятельного шведского изобретателя, издателя и переводчика Георга Шутца и его сына Эдварда к разработке своей версии машины. В течение нескольких лет Георг Шутц изобретает разные механизмы машины, в 1837 году начинает с ним работать его сын, ради этого он бросает учебу в Королевском технологическом институте. В 1840 году они сконструировали первую модель машины вычислений, в 1843 году вторая машина, которая вычисляла до пяти знаков с постоянными третьими разностями, с печатающим механизмом, была продемонстрирована в Шведской королевской академии наук. В течение 8 лет Шутцы просили финансовую поддержку у правительства для строительства большой машины вычислений. Они продали типографию, потратили все свои сбережения. В 1851 году парламент, наконец, выдает им 280 фунтов стерлингов. А затем выделяет еще столько же, видя с каким энтузиазмом Шутцы, взялись за работу. В 1854 году Шутцы заканчивают создание своего улучшенного варианта машины вычислений размером с фортепиано, которая высчитывала с точностью до 15 десятичных знаков функции с постоянными четвертыми разностями. Машину демонстрируют на Всемирной выставке в Париже в1855 году. Чарльз Бэббидж всячески приветствовал и поддерживал этот показ, а его сын изготовил плакаты, разъясняющие принцип работы машины. Машина вычислений Шутцев получает золотую медаль. Разработки Бэббиджа по созданию разностной машины были не напрасны и не пропали.

С 1857г.- по 1860 г. шведский изобретатель, доктор философии Мартин Виберг, вдохновленный работой по разностной машине Бэббиджа и Шутцев, используя их идеи и внеся удачные конструктивные изменения, построил разностный двигатель, размером со швейную машину для расчета и печати логарифмических таблиц.