Чарльз Бэббидж

Чарльз Бэббидж (англ. Charles Babbage; 26 декабря 1791, Лондон — 18 октября 1871, Лондон) — английский математик, изобретатель, инженер-механик и энциклопедист, пионер вычислительной техники. Наиболее известен как создатель проектов первой в истории механической вычислительной машины, способной выполнять программы, — Аналитической машины, которая считается прообразом современного компьютера.

Биография

Ранние годы и образование

Чарльз Бэббидж родился 26 декабря 1791 года в лондонском районе Уолворт в семье банкира Бенджамина Бэббиджа и его жены Бетси (урождённой Тип). Семья была состоятельной, и Чарльз получил домашнее образование. В 1810 году он поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где изучал математику. Уже в студенческие годы Бэббидж увлёкся идеей создания вычислительных устройств, столкнувшись с многочисленными ошибками в математических таблицах, используемых в астрономии и навигации. В 1814 году он окончил колледж, получив степень магистра, но ещё до этого, в 1812 году, совместно с Джоном Гершелем, Джорджем Пикоком и другими основал Аналитическое общество, которое выступало за реформирование преподавания математики в Кембридже на основе работ Лейбница и французских математиков.

Научная карьера

После окончания университета Бэббидж занимался разнообразной научной деятельностью. В 1816 году он был избран членом Лондонского королевского общества. С 1828 по 1839 год занимал должность Лукасовского профессора математики в Кембриджском университете — одну из самых престижных в Англии. Однако, поглощённый разработкой вычислительных машин, он фактически не читал лекции и редко появлялся в Кембридже.

Бэббидж внёс вклад и в другие области: он публиковал работы по страховой математике (в частности, по теории жизни ренты), экономике (исследовал эффективность труда в типографском деле), железнодорожному транспорту (участвовал в проектировании «широкой колеи»), криптографии и даже театру (изучал механизмы часов с фигурами). Одним из ключевых его проектов, помимо вычислительных машин, стала «Таблица разнообразных естественных чисел» (Table of Constants of Nature), которая должна была систематизировать физические и химические константы, хотя осталась незавершённой.

Личная жизнь

В 1814 году Бэббидж женился на Джорджине Уитмор, которая родила ему восемь детей, из которых выжили пятеро. После смерти жены в 1827 году он глубоко переживал утрату и в последующие годы часто вёл замкнутый образ жизни. Его сын, Бенджамин Гершель Бэббидж, стал известным учёным-металлургом и инженером. Чарльз Бэббидж скончался 18 октября 1871 года в Лондоне в возрасте 79 лет, оставив значительное научное наследие, большая часть которого не была реализована при его жизни.

Вычислительные машины

Разностная машина

Идея создания механического вычислителя, способного с высокой точностью вычислять полиномиальные функции (например, для составления мореходных и логарифмических таблиц), возникла у Бэббиджа к началу 1820-х годов. Проект получил название «Разностная машина» (Difference Engine). Принцип её действия основывался на методе конечных разностей: любая полиномиальная функция может быть вычислена путём последовательного сложения разностей между предыдущими значениями.

В 1822 году Бэббидж построил небольшую действующую модель машины (шестиразрядную, вычислявшую второй порядок разностей) и представил её Королевскому обществу. В 1823 году правительство Великобритании выделило первый грант на создание полномасштабной Разностной машины №1, которая должна была иметь 20 десятичных разрядов и 6 порядков разностей.

Однако из-за сложностей в механике (требовалась точность в доли дюйма), конфликтов с главным инженером Джозефом Клементом, а также постоянной смены конструкции и многолетней задержки, работа была приостановлена. К 1833 году было построено лишь около 12 000 из примерно 25 000 деталей. В 1842 году правительство окончательно прекратило финансирование. Проект так и не был завершён, но его механические принципы были впоследствии признаны верными.

В 1991 году в лондонском Музее науки по чертежам Бэббиджа была построена Разностная машина №2 (упрощённый и усовершенствованный проект), которая успешно работала. Это доказало принципиальную реализуемость замысла XIX века. Позже была изготовлена и печатающая часть машины.

Аналитическая машина

Именно работа над Разностной машиной привела Бэббиджа к гораздо более грандиозному проекту — Аналитической машине (Analytical Engine). Разработка началась в 1834 году. В отличие от Разностной машины, которая была специализированным калькулятором, Аналитическая машина была задумана как универсальное программно-управляемое вычислительное устройство. Её архитектура содержала все основные компоненты, характерные для современных компьютеров:

• «Мельница» (Mill) — аналог арифметико-логического устройства, выполнявшего арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление).
• «Склад» (Store) — память для хранения чисел. Теоретическая ёмкость памяти могла составлять до 1000 чисел по 50 десятичных разрядов.
• Устройство управления — считывало программу с перфокарт. Идея перфокарт была заимствована Бэббиджем у жаккардового ткацкого станка, где они управляли узором ткани. Три типа перфокарт — операционные, переменных и числовые — задавали последовательность действий и адреса ячеек памяти.
• Устройства ввода-вывода — перфокарты для ввода, печатающее устройство для вывода.

Принцип работы Аналитической машины был полностью описан в чертежах и пояснительных записках. Она была механической, паровой, но содержала все элементы программируемого компьютера, включая условные переходы и циклы (управление потоком команд). Бэббидж разработал несколько версий машины, но ни одна не была построена при его жизни — опять же из-за технологических ограничений, нехватки средств и отсутствия интереса со стороны правительства.

Роль Ады Лавлейс

Важнейшую роль в популяризации и концептуальном осмыслении Аналитической машины сыграла Ада Лавлейс (дочь лорда Байрона), переводчица и математик. В 1842–1843 годах она перевела статью итальянского инженера Луиджи Менабреа о машине Бэббиджа, дополнив её собственными обширными примечаниями (в три раза длиннее самой статьи). В этих примечаниях Ада Лавлейс:

• Детально описала принципы программирования на перфокартах.
• Составила первую в истории компьютерную программу — алгоритм вычисления чисел Бернулли для Аналитической машины.
• Ввела понятия «цикл» (loop) и «рабочая переменная».
• Предвидела, что машина может обрабатывать не только числа, но и любые символы, если им поставить в соответствие числа (нотация). За это её часто называют первым программистом.

Другие изобретения и научные интересы

Помимо вычислительных машин, Бэббидж известен изобретением ряда устройств, некоторые из которых вошли в практику:

• Спидограф (или хронограф) — устройство для записи скорости поезда на движущуюся бумажную ленту, предшественник самописцев.
• Универсальное стереоскопическое устройство — усовершенствовал стереоскоп, сделав его более универсальным для просмотра изображений.
• Механическая печатная машинка — прототип печатной машинки с расположением клавиш в алфавитном порядке (не стандартная QWERTY).
• Офтальмоскоп (в 1847 году) — позднее выяснилось, что аналогичное устройство ранее описал Германом фон Гельмгольцем, но Бэббидж изобрёл его независимо.
• Анализатор полиномов — устройство для построения графиков полиномов.

Также Бэббидж внёс вклад в операционное исследование, анализируя время работы системы почтовой рассылки и разгружая загруженность на железнодорожных путях.

Наследие и оценка

При жизни Чарльз Бэббидж не получил признания за свои главные изобретения. Разностная машина была раскритикована как бесполезная трата государственных средств, а Аналитическая машина осталась на бумаге. Однако со второй половины XX века, с развитием компьютерной техники, его вклад был переосмыслен.

• Признание пионером вычислительной техники. В 1991 году, к 200-летию со дня рождения Бэббиджа, в Музее науки в Лондоне была построена работающая Разностная машина №2 по его оригинальным чертежам. В 2000 году была запущена и печатающая часть.
• Архитектурное влияние. Концепция «мельница — склад — управление — ввод/вывод» стала основой классической архитектуры фон Неймана (хотя имеются существенные различия, в частности в адресации и хранении программы в памяти).
• Память. В честь Бэббиджа названы лунный кратер, небольшой астероид (11341 Babbage), а также ряд компьютерных терминов (например, язык программирования Babbage). В Лондоне установлен памятник автору. Его имя носит премия за выдающиеся достижения в области компьютерного моделирования (ACMDL/HPC).