Склад и мельница: как из мечты одного англичанина вырос компьютер

Как из мечты одного англичанина вырос компьютер

Идея машины, которая считает сама, старше электричества в наших розетках. Она родилась из раздражения — из-за ошибок в таблицах, которыми пользовались инженеры, астрономы и моряки. И чтобы добраться от этого раздражения до устройства у вас на столе, человечеству понадобилось больше сотни лет, несколько гениальных умов и три волны совершенно разной техники.

Проследим этот путь по-порядку: от чертежей викторианского математика через прорыв теоретиков до трёх поколений машин, каждое из которых было меньше, быстрее и умнее предыдущего.

Человек, опередивший свой век

Всё началось с Чарльза Бэббиджа и его досады на цифры. Математические таблицы той эпохи кишели ошибками, а расчёты по ним шли в самых разных делах — от навигации до строительства. Бэббидж рассудил просто: раз человек ошибается, пусть считает механизм.

Четыре узла, знакомые каждому

Разностная машина была лишь разминкой. Настоящий замысел Бэббиджа — аналитическая машина — впервые описал устройство, которое умеет вычислять автоматически по заданной программе. И вот что поразительно: её строение узнает любой, кто хоть раз заглядывал внутрь компьютера.

Машина состояла из четырёх частей:

• «Склад» — хранилище чисел, то есть память в чистом виде;
• «Мельница» — арифметическое устройство, прообраз процессора;
• устройство управления — оно задавало порядок операций;
• устройства ввода и вывода — канал общения человека с машиной.

Сравните с любым нынешним компьютером: память, процессор, управляющая логика, ввод-вывод. Бэббидж набросал эту схему за век до того, как её удалось воплотить в железе. Названия у него были поэтичнее — «склад» и «мельница» вместо сухих «память» и «процессор», — но суть та же.

Теоретики, собравшие фундамент

Между чертежом и работающей машиной лежала пропасть — её пришлось заполнять теорией. К середине двадцатого века за дело взялись умы, чьи имена сегодня знает каждый инженер.

В 1946 году А. Беркс, Г. Голдстейн и Дж. фон Нейман чётко и логично сформулировали архитектуру электронно-вычислительной машины — обобщили, как именно должна быть устроена ЭВМ. Этот свод принципов стал каркасом для всего, что строили дальше.

Но сама наука о вычислениях выросла на трёх опорах, и у каждой своё имя:

• Клод Шеннон создал теорию информации — научил измерять и осмыслять данные;
• Алан Тьюринг разработал теорию алгоритмов и программ — объяснил, что вообще значит «вычислять»;
• Джон фон Нейман предложил конструкцию вычислительных устройств, которая и поныне лежит в основе большинства компьютеров.

Именно эта тройка превратила разрозненные изобретения в стройную дисциплину.

Первое поколение: лампы, залы и рождение кибернетики

С 1945 по 1954 год пришла эпоха электронных ламп. Машины той поры были, по сути, огромными экспериментами — их строили, чтобы проверить теоретические догадки на практике.

Второе поколение: транзистор всё изменил

Период с 1955 по 1964 год начался с маленькой детали, перевернувшей отрасль, — транзистора. Он занял место громоздких и капризных ламп, а роль памяти взяли на себя магнитные сердечники и барабаны.

Результат был мгновенным: машины резко ужались в размерах и подешевели. Но железо — это половина истории. Вторую половину написал софт. Появились первые операционные системы и языки высокого уровня — Фортран, Алгол, Кобол. Писать программы стало заметно проще и быстрее: теперь не нужно было объясняться с машиной на её собственном скудном языке.

Третье поколение: тысячи транзисторов на одном кристалле

С 1965 по 1974 год произошёл ещё один скачок — родились интегральные схемы. Десятки, а затем и сотни транзисторов уместились на одном кристалле полупроводника. Так появились микросхемы, без которых немыслима нынешняя электроника.

Вехи этого десятилетия говорят сами за себя:

1. 1965 год — вышел первый миникомпьютер PDP-8. Компактные и недорогие, такие машины стали по карману небольшим фирмам и лабораториям, а не только гигантам.
2. Тогда же появилась полупроводниковая память — та самая оперативная память, что стоит в компьютерах и сегодня.
3. 1971 год — компания Intel выпустила первый микропроцессор, изначально задуманный для настольных калькуляторов. К тому времени на одной микросхеме уже помещались тысячи транзисторов, то есть почти все узлы компьютера сразу.

После этого принципиальных прорывов стало меньше. Инженеры сосредоточились на другом — наращивать мощность и ужимать компоненты. По сути, направление, заданное в те годы, определяет развитие техники до сих пор.

От «мельницы» до микрочипа

Оглянемся на пройденное. Бэббидж придумал схему из четырёх узлов и назвал их «складом» и «мельницей». Беркс, Голдстейн и фон Нейман облекли идею в строгую архитектуру. Шеннон, Тьюринг и фон Нейман подвели под всё это научную базу. А дальше техника прошла три ступени: лампы уступили транзисторам, транзисторы — интегральным схемам, а те сжались до микропроцессора размером с ноготь.

Мысль во всей этой истории одна и та же от начала до конца. Человек хотел считать быстрее и точнее, чем позволяли его собственные руки и голова. Менялись материалы — латунные шестерни, стеклянные лампы, кремниевые кристаллы, — но замысел Бэббиджа жив в каждом устройстве, которое сегодня хранит числа на «складе» и перемалывает их в своей «мельнице».