Как считали предки: краткий обзор механической вычислительной техники

Потребность в сложных вычислениях возникла перед человеком с переходом к ведению сельского хозяйства и с появлением первых городов — нужно было считать поголовье скота, урожай, запасы на зиму и т. д. Она стала одним из факторов, подтолкнувших людей к изобретению письменности. Ее между 3500 и 3000 годом до н. э. открыли шумеры, причем символы для записи чисел и слов (обозначающих людей, животных, товары, местности и т. д.) появились практически одновременно.

 

Открытие письменности дало толчок росту древних городов и государств. Их развитие, в свою очередь, требовало от общества все более сложных вычислений. А так как мозг человека изначально не предназначен для обработки больших чисел, люди начали придумывать разнообразные приспособления, которые облегчали счет.

 

Одними из первых подобных приспособлений стали веревки с узелками. Этот способ независимо друг от друга изобрели несколько цивилизаций — японцы, китайцы, индусы, инки. У последних они назывались «кипу» и успешно применялись вплоть до вторжения испанцев.  Причем с помощью кипу индейцы не только считали, но и вели календарь, передавали сообщения, рассчитывали налоги и т. д. Вместе с узелками использовались и счетные палочки, которые до сих пор применяются в качестве развивающих игрушек для детей и обучения их счету.

 

Первым механическим счетным устройством, которое изобрел человек, стал абак. Это счетная доска, вычисления на которой производились перемещения камешков или костей в специальных углублениях. Первые абаки появились в древнем Египте и Вавилоне около 3000 года до н. э. Они позволяли проводить простейшие арифметические действия. Свои версии подобных расчетных приспособлений со временем появились у китайцев, японцев, ацтеков и других народов. А прямой потомок абака — счеты — повсеместно использовались в Украине еще даже в 90-е годы прошлого столетия.

 

Одним из самых древних вычислительных приборов считается Антикитерский механизм — механическое устройство, обнаруженное в 1902 году на затонувшем древнем судне недалеко от греческого острова Антикитера. Датируется устройство 150–100 годом до н. э. У него было не менее 30 бронзовых шестерен в прямоугольном деревянном корпусе, на бронзовых передней и задней панелях которого были размещены циферблаты со стрелками. Устройство выполняло роль календаря, имело астрономические, метеорологические и картографические функции. Это первая известная механическая Солнечная система, планетарий и астрономические часы, хотя подобные устройства описывались еще начиная с 500 года до н. э. Упоминания о подобных устройствах были во многих источниках того времени, так что Антикитерский механизм явно не был единичным примером. И можно не сомневаться, что развитие вычислительной техники могло бы пойти значительно быстрее. Однако из-за упадка античной цивилизации и начала доминирования в мире авраамических религий (христианства и ислама) секрет изготовления подобных механизмов с зубчатыми колесами был утерян, а прогресс развития вычислительной техники замер на полторы тысячи лет.

 

 

С мертвой точки ситуация сдвинулась в XVI веке. Тогда, исходя из все более острой потребности в сложных вычислениях, появились логарифмические таблицы и линейки, а также механические арифмометры. Первый арифмометр (помимо античных устройств) был описан Леонардо да Винчи. Однако, как и с многими его открытиями, дальше концепта эта идея не пошла. Принцип работы этих устройств был довольно прост: пользователь выставлял нужные числа в специальных окошках и выполнял то или иное физическое воздействие (например, крутил ручки), после чего получал результат операции.

 

Самыми знаковыми устройствами той эпохи стали «Паскалина» Белеза Паскаля и арифмометр Лейбница. Первая была заточена в основном на сложение (хотя вычитание также было доступно). Внутри машины было множество связанных друг с другом шестеренок, а складываемые числа выставлялись при помощи соответствующих колесиков от 0 до 9. Если после одного оборота при выполнение операции в окошке над цифрой 9 оказывался избыток, то единица добавлялась в соседнее окошко, а в текущем появлялось соответствующая цифра без перенесенного десятка.

 

Арифмометр Лейбница также был построен по принципу связанных шестеренок. Однако благодаря добавлению в конструкцию движущейся части с рукояткой машина умела не только складывать и вычитать, но также делить и умножать. Фактически, эта рукоятка просто ускоряла процесс складывания и вычитания. Необходимое число процедур задавалось отдельно и выполнялось автоматически. Вышеописанные устройства не стали серийными, их выпуск ограничился несколькими десятками. Первый же серийный арифмометр появился лишь в 1820 году, его автор — француз Чарльз Ксавьер Томас. Уже к концу XIX века механические арифмометры умели не только выполнять четыре основных математических операции, но и находить корни, запоминать промежуточные результаты, печатать их и т. д. А прослужили арифмометры до 60–70-х годов прошлого столетия, когда повсеместно были вытеснены калькуляторами. Понятно, что это были арифмометры с электромоторами и разнообразными усовершенствованиями, но работали они по тому же принципу, что заложили в них столетия назад.

 

Кроме этих двух машин, которые обрели определенную известность, в эту эпоху были также сконструированы вычислительные часы Вильгельма Шикарда, которые работали по схожему принципу колес и шестеренок. Философ не только описал, но и сконструировал две модели, которые впоследствие сгорели при пожаре, а чертежи были утеряны. После находки документов в ХХ веке энтузиасты по этим чертежам сконструировали рабочую модель.

 

 

В 1804 году французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Они вставлялись в специальное отверстия, одна карта управляла ходом одного челнока. Комбинируя карты, можно было программировать тот или иной результат работы. Фактически, этот станок стал первым программируемым устройством в истории.

 

Уже в 1835 году Чарльз Бэббидж представил собственную аналитическую машину — проект вычислительного устройства общего назначения. В нем перфокарты применялись как носители вводных данных, а в качестве источника энергии использовался паровой двигатель. Проекту не суждено было выйти в серийное производство — из-за разногласий с инженером, создающим детали, по поводу изготовления элементов конструкции, а также из-за прекращения государственного финансирования Бэббидж был вынужден свернуть работы. В Лондонском музее науки есть работающий прототип одной из версий компьютера Бэббиджа, который собран в по технологиям тех времен.

 

Как видим, еще до повсеместного распространения электричества человечество научилось сносно считать при помощи механических приспособлений и даже программировать их. С распространением же электросетей появились новые типы вычислительных устройств. Но это уже тема другого материала.