Текст книги "Кое-что о жизни землян под знаменами ИИ"

4.5. Чарльз Бэббидж

Тук-тук-тук – отсчитаем еще долгие годы и начнем рассказ об еще одном энтузиасте создания счетных машин.

Когда Бэббидж учился в Тринити-колледже в Кембридже, он заключил со своими друзьями В. Гершелем и Дж. Пикоком соглашение «Приложить все усилия, чтобы оставить мир мудрее, чем мы нашли его». Этой идее Бэббидж служил всю жизнь, стремясь, чтобы мир стал мудрее (а не лучше, справедливее и т. п.), так как мудрость, по мнению Бэббиджа, автоматически обеспечивала добро и справедливость.

Бэббиджу было около сорока лет, он, отмечая научные и технические достижения своего времени, предсказывал: «Господство разума над материальным миром будет нарастать с ускорением». В пожилом возрасте Бэббидж говорил, что охотно отказался бы от оставшихся лет жизни, если бы ему дали возможность прожить три дня через 500 лет и предоставили гида, который смог бы объяснить ему все открытия будущего.

Игорь Алексеевич Апокин, Леонид Ефимович Майстров «История вычислительной техники»

Подхватив, так сказать, эстафетную палочку от Паскаля, примерно два века спустя, англичанин Чарльз Бэббидж, задолго до наступления эпохи электричества, настолько близко подошел к разработке основных функций компьютера, что теперь по праву почитается его отцом.

Как и Паскаля, Бэббиджа отличала огромная широта интересов, была у него и явная изобретательская хватка. Вот несколько тому примеров. В 1818 году Бэббидж принимает участие в погружении под воду в «воздушном колоколе». Позднее публикует статью, содержащую описание и чертежи подводного судна, устроенного по принципу погружающегося колокола. Это судно должно было приводиться в движение винтом и могло быть использовано для военных целей.

Бэббидж предлагал средства для предотвращения железнодорожных крушений, включая способ отделения вагонов сошедшего с рельс поезда. Настоятельно рекомендовал использовать широкую колею вместо применявшейся в то время узкой, а также спидометр своей конструкции.

Разработал систему зажигания и затемнения маяков, послал ее описание в двенадцать прибрежных стран. Правительство США тогда ассигновало 5000 долларов (большие деньги) для соответствующих испытаний.

Бэббиджу принадлежит конструкция игрового автомата, заменяющего игрока в решении логических задач. Программа доводила до выигрыша любую позицию, которая теоретически выигрывалась. Правда, игра была очень простой – «крестики и нолики». Впрочем, изобретатель полагал, что его аналитическая машина могла бы быть полезной и в шахматной игре.

Однако все же главным делом всей жизни Бэббиджа стало конструирование механических вычислительных машин.

Чарльз Бэббидж (1791–1871) родился в пригороде Лондона. Его отец был совладельцем банкирской фирмы и впоследствии оставил сыну большое состояние. В детстве Чарльз был слабым, болезненным ребенком, которого отличали отменное любопытством и живой ум. Рассказывают, что когда ему давали игрушку, он тут же разламывал ее на части, чтобы узнать, как она сконструирована. Как-то раз он сделал две прикрепленные на петлях доски, они давали ему возможность ходить по воде. До 11 лет его учила мать, затем в частных школах он серьезно увлекся математикой. Другим его увлечением, еще с детских лет, были различные механические автоматы. В 1810 году Чарльз поступил в Тринити-колледж в Кэмбридже. Однако предпочитал обучаться математическим основам самостоятельно, по книжкам. Тщательно штудировал труды Ньютона, Лейбница, Лагранжа, Лакруа, Эйлера и других гигантов математики. В результате Бэббидж очень быстро обогнал по знаниям не только своих сверстников, но и преподавателей и был сильно разочарован низким уровнем преподавания математики в Кембридже. Более того, он вообще утверждал, что и Британия в целом заметно отставала от континентальных стран по уровню математической подготовки. В научной деятельности большое влияние на Бэббиджа оказал француз барон де Прони, руководивший в ту пору Бюро переписи, работы которого навели Чарльза на мысль о создании технологии вычислений. Чистая математика не стала главным делом жизни Чарльза. С годами Бэббидж все более тяготел к решению практических задач с помощью методов математики. В 1814 году он женился на Джорджиане Витмор. Она родила ему восьмерых детей в течение 13 лет, но лишь трое из них дожили до совершеннолетия. В 1816 году Бэббидж стал членом Королевского Общества Лондона. К тому времени он написал несколько больших научных статей в разных математических дисциплинах. В 1820 году он становится членом Королевского Общества Эдинбурга и Королевского Астрономического Общества. А в 1827 году случилось несчастье – Бэббидж похоронил отца, жену и двоих детей. В этом же году он стал руководителем кафедры математики Кембриджского университета (в свое время этот пост занимал Исаак Ньютон). Кстати, Бэббидж в 1832 году становится иностранным членом-корреспондентом академии наук в Санкт-Петербурге. Главной страстью в жизни Бэббиджа была борьба за безукоризненную математическую точность. Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики, штурманы дальнего плавания. Реагируя на эти досады, он 1819 году приступает к разработке своей вычислительной машины, которая помогла бы выполнять более точные вычисления. К 1822 году Бэббидж создал то, что он назвал «разностной машиной», маленькое устройство для вычисления таблиц, важных для навигации. Подробнее об этом будет рассказано дальше. Известно, что мозг Чарльза Бэббиджа был извлечен после его смерти и в течение 36 лет хранился в музее Хантера в Глазго. Впоследствии он был препарирован профессором Чарльзом Стюартом, а Британское Королевское общество искусств опубликовало результаты и фотографии препарации в книге «Описание мозга мистера Чарльза Бэббиджа».

4.6. Аналитическая машина Бэббиджа

В XIX веке англичанин Чарльз Бэббидж сконструировал паровую машину, которая могла извлекать квадратные и кубические корни и выполнять еще несколько функций. Хотя Бэббидж никогда не воплотил свою конструкторскую модель в жизнь, при ее создании были применены многие принципы, используемые в современных компьютерах.

Книга «Эпоха компьютера»

Вы далеко продвинулись в великом деле, достойном Вашего честолюбия. Вы можете завершить его. Мой совет – продолжайте, даже если Вам придется жить на одном хлебе и сыре.

Совет-пожелание матери Чарльза Бэббиджа своему сыну

Существует нечто вроде легенды о том, будто бы в 1812 году студент Чарльз Бэббидж занимался изучением логарифмических таблиц. Дело это страшно утомило его, и он задремал прямо за письменным столом. И когда его разбудили вопросом: «Чем он занят?», ответствовал: «хочу создать машину, которая сможет проводить сложные математические расчеты».

Как бы там ни было, но в начале XIX века подобные мысли-заявления были вполне уместны. Науки бурно развивались, открытие следовало за открытием. Необходимо было вычислять навигационные таблицы, выверять правильность таблиц логарифмов и других математических таблиц-справочников, возникло скопище всевозможных астрономических таблиц.

Всем этим надо было заниматься. Огромное количество людей трудились в поте лица, получая за это немалые зарплаты. И тут также не дремал так называемый «человеческий фактор». Утомился человек от однообразных занятий, отвлекся на мгновение и… допустил ошибку, не те нужные цифры поставил.

Понятно, необходимость создания вычислительных машин тогда, что называется, назрела.

В 1822 году Бэббидж задумал создать предшественницу нынешних калькуляторов – «разностную машину». Такое название было выбрано потому, что при вычислениях должен бы использоваться метод табулирования многочленов по способу разностей. Не очень нам понятно, но мы не будем входить тут в сложные разъяснения.

Итак, Бэббидж обращается в Королевское и Астрономическое общество, членом которого он был, просит профинансировать свою дерзостную работу. В 1823 году он получает 1500 фунтов стерлингов и приступает к делу. Планировал сконструировать машину за 3 года. Но он не учел сложности конструкции, а также технических возможностей того времени. И уже к 1827 году было затрачено 3500 стерлингов.

Ход работы замедлился. Причиной были и трагические события в жизни Бэббиджа: мы уже упоминали, что в 1827 году он похоронил отца, жену и двоих детей. Самочувствие изобретателя ухудшилось, Чтобы восстановить здоровье он отправился в путешествие по континенту.

1828 год. Денег нет. Обращения ко многим обществам и правительству тщетны. Только в 1830 году удалось добыть еще 9000 фунтов стерлингов и продолжать работу. Куда шли деньги? Большая разностная машина должна была состоять из 25 000 деталей, весить почти 14 тонн и быть высотой в 2,5 метра. Кроме того, разностная машина должна была быть оснащена печатным устройством для вывода результатов. Память была рассчитана на 100 50-разрядных чисел.

Но Бэббидж не сдавался. В 1834 году он начинает работу над своей новой «Аналитической машиной». Она уже должна была действовать без вмешательства человека. Новая машина отличалась от арифмометра наличием регистров, в которых сохранялся промежуточный результат вычисления.

В этой новой машине уже присутствовали все три классических элемента компьютера: store – хранилище (теперь мы называем его памятью), mill – мельница (арифметическое устройство) и control barrel – управляющий барабан (управляющее устройство). Регистровая память способна была хранить как минимум 100 десятичных чисел по 40 знаков, но теоретически могла быть расширена до тысячи 50-разрядных чисел. Помимо этого, аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройства выводов результатов на перфокарты для последующего их использования.

Вот в какое сложное предприятия ввязался Чарльз Бэббидж. В 1851 году он горестно восклицает-пишет: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счет. Я провел целый ряд экспериментов и дошел до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы».

Бэббидж не смог воплотить все свои замыслы в жизнь. И на то были многие причины. Во-первых, он был уже не молод. Во-вторых, отсутствовало финансирование, а расходы требовались немалые. В-третьих, мешала излишняя разносторонность Бэббиджа. Он поднимался с экспедицией на Везувий, участвовал в археологических раскопках, изучал залегание руд, спускаясь в шахты. При конструировании разностной машины он разработал немало оборудования для обработки металлов. Занимался исследованием электромагнетизма, вопросами шифрования, геологией и т. д.

В-четвертых, и это может быть главное, на дворе стоял XIX, а не ХХ, скажем, век. Аналитическая машина была задумана как чисто механическое устройство. Электротехника в то время только начинала развиваться. Ее можно было использовать, допустим, в качестве движущей силы вместо ручного механического привода. Но ведь рядом уже действовали паровые машины. И Бэббидж одно время склонялся к тому, что приводить аналитическую машину в действие должен именно паровой двигатель.

Бэббидж чувствовал, что время компьютеров еще не пришло. В 1864 году (Чарльзу 73 года) он пишет: «пройдет, вероятно, полстолетия, прежде чем люди убедятся, что без тех средств, которые я оставляю после себя, нельзя будет обойтись». Он несколько ошибся в сроках, но не на много – лет на 30.

Итак, подведем итоги деятельности Чарльза Бэббиджа. Он потратил на это великое дело три десятка лет своей жизни, уйму денег, оставленных ему отцом, однако великий замысел остался не реализованным. С помощью шестеренок, передач, латунных штанг и прочих механических вспомогательных средств было невозможно выполнить ПРОЕКТ до конца.

Однако Бэббидж ныне с полным правом почитается «отцом компьютера». Ведь его аналитическая машина уже имела все узлы, содержащиеся в современных компьютерах: устройства для ввода и вывода чисел, печатающееся устройство, запоминающееся устройство для чисел, арифметическое устройство для четырех основных арифметических действий и узел с перфокартами.

4.7. ЭНИАК

В 1941 г. сотрудники Лаборатории баллистических исследований Абердинского артиллерийского полигона в США обратились в расположенную неподалеку техническую школу при Пенсильванском университете за помощью в составлении таблиц стрельбы для артиллерийских орудий, уповая на имевшийся в школе дифференциальный анализатор Буша – громоздкое механическое аналоговое вычислительное устройство.

Однако сотрудник этой школы физик Джон Мочли, увлекавшийся метеорологией и смастеривший для решения задач в этой области несколько простейших цифровых устройств на электронных лампах, предложил нечто иное. Им было составлено (в августе 1942 г.) и отправлено в военное ведомство США предложение о создании мощного (по тем временам) компьютера на электронных лампах.

Эти воистину исторические пять страничек были положены военными чиновниками под сукно. Предложение Мочли, вероятно, осталось бы без последствий, если бы в начале 1943 г. капитан Герман Гольдстайн, доцент математики, который в годы войны работал в Артиллерийском управлении армии США, не попросил Мочли восстановить текст его записки. В ней предлагалось заменить медленный и неточный дифференциальный анализатор, использовавшийся для наводки зенитных орудий, на цифровую вычислительную машину.

Владимир Иванович Васильев, Павел Степанович Котенко «История и перспективы развития вычислительной техники»

Шла кровавая Вторая мировая война, решения тогда принимались быстро. И в апреле 1943 г. был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание вычислительной машина совершенно нового типа. Она было названа электронным цифровым интегратором и компьютером или ЭНИАК (ENIAC, сокращение от слов Electronic Numerical Integrator and Computer).

На этот проект было отпущено 400 тысяч долларов. К работе были привлечены примерно 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителем проекта стал Джон Мочли.

На создание ЭНИАК ушла пара лет. Предназначавшийся для военных целей проект был закончен уже после окончания войны, через 2 месяца после капитуляции Японии, в феврале 1946 года. По своим размерам это было впечатляющее сооружение.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) ЭНИАК занимала площадь около 300 квадратных метров (26 метров в длину, 6 метров в высоту, состояла из 40 панелей, расположенных П-образно). Весила она 5 тонн. ЭВМ содержала примерно 17 тысяч электровакуумных ламп, 7200 диодов, 4100 магнитных элементов и по мощности потребляла 174 киловатта электроэнергии, мощность, достаточная для функционирования небольшого завода.

Но главным было то, что производительность работы ЭВМ в 1000 раз превышала образцы, имевшиеся до ввода ЭНИАК. Таков был результат использования электронных ламп. Именно они произвели очередную революция в вычислительной машинной технике.

По старым меркам работал ЭНИАК молниеносно. Время выполнения операции сложения – 0,2 миллисекунды, умножения – 2,8 миллисекунды, деления – 24 миллисекунды. Однако обладала новая ЭВМ и многими явными недочетами.

Тут полезно сделать несколько напоминаний о том, как электронные лампы входили в обиход человечества. Случилось это лишь в ХХ веке. Хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт американцем Томасом Альва Эдисоном (1847–1931) в 1883 году, первая электронная лампа – вакуумный диод – была построена англичанином Джоном Флеммингом (1849–1945) только в 1904 году.

До 1930-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Примерно тогда же несколько удачных моделей простых счетных устройств на газонаполненных лампах построил уже упоминавшийся нами выше Джон Мочли.

Несмотря на высокое по тем временам быстродействие ЭНИАК, каждое изменение программы работы требовало установки в определенное положение около 6000 тумблеров и переключателей, соединения сотен кабелей. На эти операции уходила пара дней кропотливой работы (штекерный метод программирования). А еще за год работы машины сгорало приблизительно 19 000 ламп, т. е. более 100 % от общего комплекта.

Еще тут стоить добавить то понятное, что работа над ЭНИАК длилась в обстановке чрезвычайной секретности. И неудивительно поэтому, что выдающийся американский математик Джон фон Нейман узнал о ней совершенно случайно. В то время Нейман был консультантом крупнейшей в США Абердинской баллистической лаборатории.

И тут вмешался случай. Летом 1944 года Нейман встретил на железнодорожной станции Абердина своего старого знакомого Германа Гольдстайна. В разговоре Гольдстайн упомянул о секретном проекте. Позднее он писал: «Когда Джонни увидел, к чему мы пришли, он двумя ногами прыгнул в электронные вычислительные машины».

4.8. Джон фон Нейман

Еще при жизни Джон фон Нейман стал легендой. Одни восхищались безупречной логикой его рассуждений и сравнивали его с идеальной логической машиной с тщательно подогнанными шестеренками. Другим импонировали присущие мышлению фон Неймана блеск и изящество. «Слушая фон Неймана, начинаешь понимать, как должен работать человеческий мозг», – говорили наиболее восторженные поклонники его таланта. Третьих восхищали умение производить в уме сложнейшие вычисления и инженерная хватка, несколько неожиданная у математика, мышление которого, по мнению его искушенных коллег, отличалось особой абстрактностью.

Джон фон Неман принадлежал к редкому в наши дни типу математика-универсала, презирающего искусственные перегородки между отдельными областями своей древней, но вечно юной науки. Воспринимающего ее как единый живой организм и свободно переходящего в своем творчестве от одного ее раздела к другому, на первый взгляд весьма далекому от первого, но в действительности связанного с ним нерасторжимыми узами внутреннего единства.

«Вильгельм Оствальд различал среди деятелей науки два типа: классиков и романтиков. Первых можно уподобить мельнице, тщательно перемалывающей логическими жерновами исходные идеи – «засыпку», чтобы извлечь из них как можно более далекие следствия и довести теорию до пределов возможной полноты и совершенства. Вторых скорее следует сравнивать с генераторами новых идей. Высказав идею, они быстро утрачивают к ней интерес, сколь бы блестящей она ни была, и не принимают участия в ее дальнейшей разработке.

Гигантская фигура фон Неймана не укладывается в прокрустово ложе оствальдовской (как, впрочем, и любой другой) классификации. Несомненный классик, фон Нейман обладал пылкой фантазией и не менее пылким темпераментом романтика и подарил математическому миру так много великолепнейших идей, что его можно назвать классиком в смысле Оствальда лишь при весьма существенных оговорках. Вместе с тем фон Нейман был слишком классиком, чтобы с безразличием относиться к судьбе намеченной им теории и предоставить другим развивать высказанные им идеи.

Юлий Александрович Данилов «Джон фон Нейман»

Джон фон Нейман – личность легендарная. И в разговоре об истории создания совершенных компьютеров ему нельзя не уделить достаточно большого внимания.

4.9. Архитектура фон Неймана

Джон фон Нейман (1903–1957) был старшим из сыновей банкира Макса фон Неймана. Родился он в Будапеште, втором по величине и значению после Вены культурном центре бывшей Австро-Венгерской империи. Вначале он носил имя Янош, но после отъезда за границу в Цюрихе, Гамбурге и Берлине его стали называть Иоганном, а уж после переезда в США он превратился в Джона, дружески его обычно называли Джонни. Янош, или просто Янчи, был необычайно одарённым ребёнком. Рассказывают, что уже в 6 лет он перекидывался с отцом репликами на древнегреческом языке и перемножал в уме шестизначные числа. В 8 лет он уже интересовался вопросами высшей математики. Родители серьезно отнеслись к его необычайной одаренности и предоставили ему возможность заниматься с лучшими частными преподавателями.

Первое серьёзное увлечение Яноша – «Всемирная история» в 44 томах, которую он полностью проштудировал. Абсолютная память позволяла ему через много лет цитировать любую страницу некогда прочитанной книги, причем, иногда прямо, в том же темпе, переводя на немецкий или английский, с некоторыми затруднениями – на французский или итальянский. В возрасте 10 лет Янош поступил в одно из лучших учебных заведений того времени Вены – лютеранскую гимназию. Это было необычное учебное заведение. Школа уделяла развитию личности учащихся не меньше внимания, чем прохождению обязательно учебной программы. Кстати, эта школа сыграла гигантскую роль в развитии мировой науки. Из её стен вышли, помимо фон Неймана, такие выдающиеся ученые как Дьёрдь Хевеши (1885–1966, Нобелевская премия по химии 1943), создатель голографии Деннис Габор (1900–1979, Нобелевская премия 1971), ближайший друг фон Неймана Юджин Вигнер (1902–1995, Нобелевская премия 1963), Лео Сцилард (1898–1964, премия Эйнштейна 1959), «отец» американской водородной бомбы Эдвард Теллер (1908-2003). Психологи и историки науки до сих пор теряются в догадках о причинах такой вспышки гениальности в одном месте. Преподаватели лютеранской гимназии скоро заметили особые, даже на таком фоне, способности Неймана и приобщают его к лекциям и семинарам в университете. В итоге, в 18 лет он публикует свою первую научную работу. В 1913 году отец Неймана получил дворянский титул, и Янош вместе с австрийским символом знатности – приставкой фон (von) к австрийской фамилии – стал называться Янош фон Нейман. Получив степень доктора математики в Будапештском университете и диплом химика в Высшей технической школе Цюриха, Джон занимает должность приват-доцента Берлинского, а затем и Гамбургского университетов. В 1930 году, когда политическая обстановка в Европе становится все напряженней, он вместе с матерью и братьями переезжает в США, в Принстон, где в 1931 году назначается профессором местного университета. В 1933 года и до конца своих дней (умер от рака) Джон фон Нейман работает научным сотрудником знаменитого Института перспективных исследований. Круг научных интересов фон Неймана был необычайно широк. Один из его коллег так шутливо объяснял причину необычайной одаренности ученого: «Видите ли, Джонни вовсе и не человек. Но он так долго жил среди людей, что научился прекрасно их имитировать». Нейман часто бывал в Лос-Аламосе, где американцы создавали атомную бомбу, участвовал во многих расчетах и давал консультации, сотрудничая с итальянцем Энрико Ферми (1901–1954) и многими другими физиками-экспериментаторами. Вот что пишет об этом ученик и сотрудник Ферми Эмилио Сегре в книге «Энрико Ферми – физик»: «Ферми был чем-то вроде оракула, к которому любой физик мог обратиться за помощью… Мне помнится, как с фон Нейманом они обсуждали гидродинамические задачи. (Это было чем-то вроде соревнования у доски в кабинете Ферми – кто первый решит поставленную задачу; первым обычно оказывался фон Нейман, который умел фантастически быстро считать)… Другим оракулом лаборатории был фон Нейман. Однажды один известный физик-экспериментатор и я целый день безуспешно ломали голову над задачей, для решения которой нужно было взять некий интеграл. Поставивший нас в тупик интеграл был написан на доске, когда через приоткрытую дверь нашей комнаты мы увидели идущего по коридору фон Неймана. «Не можете ли вы помочь нам с этим интегралом?» – спросили мы у него. Фон Нейман подошел к двери, глянул на доску и продиктовал ответ. Мы совершенно остолбенели, не понимая, как это ему удалось сделать…» Можно было бы долго перечислять все научные «подвиги» Джона фон Неймана. Он отличился в квантовой механике, математической логике, топологии, алгебре операторов в гильбертовом пространстве, теории функций действительных переменных, в статистических методах теории удара. Занимался гидродинамикой, вопросами взрыва и горения, теорией игр, численными методами, исследованием операций, теорией автоматов. В последние годы своей жизни фон Нейман проявил особый интерес к приложениям математики в различных областях науки и практики. Во время второй мировой войны он активно участвовал в исследованиях, связанных с обороной. Сыграл большую роль при создании атомной бомбы, внеся основной вклад в методы обеспечения взрывобезопасности. Консультировал многие правительственные лаборатории и организации и был членом важных комитетов по научным рекомендациям. Эти дела он продолжал и после войны. Работал в таких областях, как артиллерия, приемы ведения подводной войны, цели для бомбометания, ядерное оружие (включая водородную бомбу), военная стратегия, предсказание погоды, межконтинентальные баллистические ракеты. В октябре 1954 года президент США назначил его членом комиссии по атомной энергии; этот пост фон Нейман занимал вплоть до последних дней. Он был удостоен ряда степеней и почетных званий. Был членом Национальной Академии наук США, получил две правительственные награды и медаль имени Энрико Ферми от Комиссии по атомной энергии. Эта медаль была вручена ему за тот вклад, который он внес в развитие электронных вычислительных машин и методов их применения.

Дамы и господа, я хочу поблагодарить вас за очень дружескую реакцию по поводу предстоящих моих пяти выступлениях перед вами и надеюсь, что смогу удовлетворить тот широкий круг разнообразных интересов, который здесь представлен. Я расскажу вам об автоматах – о поведении очень сложных автоматов и о тех крайне специфических трудностях, к которым приходит высокая степень сложности. Я вкратце остановлюсь на весьма правдоподобных, весьма очевидных аналогиях, приходящих на ум при сравнении искусственных автоматов с организмами, которые в определенных пределах своего функционирования являются естественными автоматами. Мы рассмотрим черты сходства и различия, разберемся, в какой степени различие зависит от наших способностей и от нашей неуклюжести (последняя, между прочим, более обычное явление), обсудим, насколько эти различия принципиальны.

Сегодня я буду говорить главным образом об искусственных автоматах, в особенности об одной их разновидности – о вычислительных машинах. Я расскажу об их роли в недалеком прошлом, в настоящем и о том, что мы ждем от них в будущем.

Начало лекции № 1 Джона фон Неймана – «Вычислительные машины»

Мы уже упоминали о способности фон Неймана, сравнительно редкой у математиков, общаться с физиками, понимать их язык и почти мгновенно, без малейшего промедления преобразовывать его в математические схемы и выражения. Затем, разобравшись в существе задачи, фон Нейман переводил их снова в выражения общепринятые у физиков… Фон Нейман с необычайной легкостью производил прикидочные оценки и алгебраические и численные выкладки в уме, не прибегая к карандашу и бумаге. Эта способность, несколько напоминающая способность играть в шахматы вслепую, нередко производила сильное впечатление на физиков. У меня создалось впечатление, что фон Нейман, размышляя, не прибегал к зримым образам физических объектов, а предпочитал рассматривать их, как логические следствия из основных физических допущений. С каким блеском он умел играть в эту дедуктивную игру!

Американский математик Станислав Улам (1909–1984)

Любая ЭВМ – это сложнейший электронный организм, способный производить разнообразные действия. Как всякий организм, машина имеет своеобразный мозг – устройство управления. Команды мозга выполняют мышцы – арифметические и другие устройства ЭВМ. Память ЭВМ – запоминающее устройство. Наконец, связь с окружающим миром осуществляется через устройство ввода и вывода информации.

Юрий Петрович Смирнов «История вычислительной техники»

Важнейшее участие Джона фон Неймана в создании компьютера ЭНИАК и последующая совместная работа с ним над другими более совершенными ЭВМ в итоге привели к созданию общей формулировки того, как должна быть организована структура ЭВМ и как должна идти совместная работа человека-пользователя с вычислительными устройствами, скорость функционирования которых быстро возрастала.

Ныне принято говорить об Архитектуре фон Неймана. Опишем ее главные черты.

Уже рассказывалось о том, как фон Нейман в 1944 году случайно узнает о проекте создания электронной вычислительной машины, способной выполнять 333 умножения в секунду. Нейман знакомится с Джоном Мочли и другими участниками проекта и включается в общую работу.

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы архитектуры фон Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить свои научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новую концепцию. Перечислим ее основные устройства и принципы работы.

Устройства:

– арифметическо-логическое, выполняющее арифметические и логические операции;

– устройство управления, оно организует процесс выполнения программ;

– запоминающее устройство для хранения программ и данных;

– внешнее устройство для ввода-вывода информации.

Принципы работы:

1. Использование, как это предложил еще Конрад Цузе, двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т. е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Несмотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.