Historia maszyn liczących

Motto:

Everything melted into mist. Sometimes, indeed, you could put your finger on a definite lie. It was not true, for example, as was claimed in the Party history books, that the Party had invented aeroplanes. He remembered... (George Orwell "1984")

Internet? To niebieskie "e" na pulpicie? (ZU)

Starożytność

Naturalnym sposobem pomagania sobie w obliczeniach było odkładanie kamieni, a sposobem zapisu karbowanie kresek na kiju.

Najstarszym powszechnie używanym przyrządem służącym do liczenia było liczydło (angielski i łacina abacus z greckiego abaks). Było szeroko znane w całej starożytności od Europy aż po Chiny. Miało wiele zróżnicowanych form. Najczęściej była to prostokątna deska z wyżłobionymi rowkami, w których ułożone kamyki oznaczają poszczególne pozycje przedstawianej cyfry - dodając i odejmując kamienie w rzędach wykonywało się operacje arytmetyczne. Dość dobrze znamy konstrukcję liczydeł używanych w Imperium Rzymskim i bardzo podobne (najprawdopodobniej tego samego pochodzenia) z Chin i Japonii.

Rzymianie używali również kamyczków tzw. calculi (stąd pochodzi słowo kalkulować).

Najstarszym znanym mechanicznym urządzeniem liczącym był mechanizm odnaleziony we wraku statku koło wyspy Antikythera (i stąd jego nazwa, często określany jako "mechanizm z Antikythery"). Jego odnalezienie, a ściśle rzecz biorąc rekonstrukcja wykonana na podstawie zdjęć rentgenowskich - bo samo znalezisko jest bardzo zniszczone - wywołało sensację, ponieważ brak jest pisanych źródeł na temat podobnych urządzeń w tamtych czasach.

Skonstruowany prawdopodobnie na Rodos około 87 roku ne. Składał się z 37 kół zębatych wykonanych z brązu umieszczonych w drewnianej ramie. Przypuszcza się, że służył do obliczeń astronomicznych.

Automaty Herona, około 100 roku n.e. Napęd parowy.

Używany obecnie system zapisu cyfr (tzw. arabskich) pochodzi z sanskrytu - pisma starożytnych Indii. Nawet współczesny wygląd cyfr niewiele różni się od sanskryckich. Brakowało tam tylko zera. W Euroazji najstarszym znanym autorem traktującym zero jako liczbę jest hinduski matematyk Brahmagupta, autor traktatu "Brahmasphutasiddhanta" (628 ne.).

Od Hindusów ten system zapisu liczb wraz z zerem przejęli Arabowie. Za ich pośrednictwem dotarł do Europy i bardzo szybko stał się popularny, wypierając niewygodne w odczytywaniu i nienadające się do obliczeń rzymskie cyfry.

Ok. 200 n.e. - liczydła sau-pan w Chinach i soro-ban w Japonii.

Średniowiecze

1274 Ramon Lull, kataloński franciszkanin, filozof i teolog.

Nowożytność

W okresie Renesansu słynne były androidy-marionetki braci Jaquet-Droz (np. Rysownik, Skryba, Muzyk, Pisarz).

Ars magna generalis et ultimata - symboliczny język filozofii - początki języków algorytmicznych, urządzenie do "dowodzenia prawd" za pomocą diagramów logicznych.

W Europie nowożytnej idea użycia maszyn (arytmometrów) do rozwiązywania problemów matematycznych sięga początków XVII wieku.

John Napier znany jest jako odkrywca logarytmów naturalnych (co nie jest prawdą). Matematyka jednak zawdzięcza mu zapoczątkowanie współczesnej notacji ułamków - kropka dziesiętna - oraz tzw. kostki Napiera. Wymyślił bardzo pomysłowy i prosty w zastosowaniu, chociaż niełatwy do wyjaśnienia, sposób zastąpienia skomplikowanego mnożenia przez proste dodawanie za pomocą przyrządu przypominającego liczydło. Swoje odkrycie opublikował w dziele "Rabdologia" (1617).

W 1620 Edmund Gunter przedstawił skalę logarytmiczną.

Korzystając z tych odkryć, w 1622 William Oughtred wynalazł suwak logarytmiczny, który wyparł kostki Napiera.

W 1623 Wilhelm Schickard (profesor Uniwersytetu w Heidelbergu) wykonał swój "zegar liczący". Była to 6-cyfrowa maszyna umożliwiająca dodawanie i odejmowanie (działała na zasadzie sumowania obrotów kół połączonych przekładnią), przepełnienie sygnalizowała dzwonkiem. Nie przetrwała żadna oryginalna maszyna, a plany zaginęły. Przypadkiem zostały odnalezione w 1935, znów zaginęły w czasie wojny i zostały znowu odnalezione (przez tego samego człowieka) w 1955. Urządzenie zostało zrekonstruowane w 1960 i działa.

1633 Athanasius Kircher, pierwszy europejski podręcznik szyfrowania informacji.

W 1642 19-letni Blaise Pascal skonstruował 5-cyfrową maszynę dodającą, z współzależnymi przekładniami zębatymi i automatycznym przenoszeniem na następną pozycję, "paskalinę" (fr. pascaline) znaną też jako sumator Pascala. Posiadała kilka tarcz obracanych stylusem - wykręcanie kolejnych cyfr poruszało mechanizm dodający, a suma była wyświetlana w okienkach na tarczami.

Była przeznaczona dla jego ojca zajmującego się pobieraniem podatków:

Nie jest bowiem rzeczą godną wykształconego człowieka, by tracić godziny, pracując jak niewolnik nad obliczeniami, które wykonać mógłby każdy, gdyby użyto w tym celu maszyny.

Mogła zostać udoskonalona i wspierać więcej cyfr, ale nie mogła odejmować i prawdopodobnie była mniej niezawodna niż prostsza metoda Schickarda. Chociaż wykonał wiele egzemplarzy (około 15 nawet sprzedał - niektóre 8-cyfrowe - i kilka z nich przetrwało do dziś) prawdopodobnie nie znalazła szerszego zastosowania.

Jej znaczenie polega na czymś innym: maszyna Schickarda została zapomniana - Pascal w ogóle nie wiedział o jej istnieniu - a "paskalina" stała się znana i stała się początkiem koncepcji maszyny liczącej.

1666 - S. Morland buduje sumator mechaniczny.

W 1673 Gottfried Wilhelm von Leibniz zaprojektował maszynę liczącą (ang. Stepped Reckoner), wykonał ją niejaki Olivier. Używała ruchomej karetki i mogła mnożyć 5 i 12-cyfrowe liczby z wynikiem do 16 cyfr. Leibniz udoskonalił pomysł Pascala wprowadzając dodatkowy mechanizm - koło krokowe, co umożliwiło mnożenie i dzielenie.

Użytkownik musiał obrócić korbą raz na każdą jednostkę w każdej cyfrze w mnożniku, żłobkowany bęben zamieniał obroty w wynik dodawania. Ale mechanizm wymagał interwencji użytkownika i nawet wtedy nie zawsze działał. Urządzenie po kilku latach dostało się na strych i było tam aż do 1879, kiedy zauważył je człowiek reperujący dziurawy dach.

Leibniz wynalazł również system dwójkowy.

Abakus w swojej klasycznej postaci był używany w Europie aż do XVIII wieku, kiedy wyparło go znane jeszcze do niedawna liczydło zbudowane z ramy i przesuwanych na prętach kulkach. Szybsze i bardziej niezawodne.

1726 - A. Braun, ulepszenie sumatory Morlanda, używane jeszcze do niedawna.

1786 idea "maszyny różnicowej", autorstwa żołnierza armii Hesji, J. H. Muellera.

Około 1790 roku Thomas Jefferson i doktor matematyki Robert Patterson użyli maszyny szyfrującej, zastosowany przez nich szyfr kołowy został wkrótce zapomniany. Odkryli go ponownie w czasie II wojny światowej specjaliści z USNavy i nazwali szyfrem paskowym.

Charles Babbage

Przełomową rolę historii maszyn liczących odegrał Charles Babbage. Choć żaden z jego projektów nie został ukończony, razem ze swoimi współpracownikami (głównie z Adą contessą Lovelace) stworzył teoretyczne podwaliny informatyki, zapoczątkował takie pojęcia jak rozgałęzienia warunkowe, pętle iteracyjne i indeksy zmiennych. Uważa się, że Babbage był człowiekiem wyrastającym ponad swoje czasy. Wielu historyków uważa, że nie dokończył swoich projektów tylko dlatego, że nie pozwalała na to ówczesna technologia.

Do prac nad zmechanizowaniem obliczeń pchnęły go liczne błędy w używanych przez niego tablicach logarytmicznych Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego. Podobno poirytowany zadeklarował:

I wish to God these calculations had been performed by steam!

W 1812 Babbage wskazał na analogię pomiędzy maszyną a matematyką: maszyna może wykonywać powtarzające się działania bez błędów, a wiele obliczeń matematycznych np. tworzenie tablic matematycznych często wykorzystuje powtarzające się wielokrotnie te same kroki obliczeń.

Jego urządzenia były w całości mechaniczne, składały się z brązowych kół zębatych i przekładni.

Pierwszym urządzeniem była Maszyna Różnicowa (Difference Engine) i jak sama nazwa wskazuje, była wyspecjalizowana w rozwiązywaniu równań różniczkowych. W 1822 przedstawił projekt trwale zaprogramowanego kalkulatora, do obliczania i tabularyzowania wielozmiennych funkcji metodą różnic skończonych. Operator musial kręcić korbą, maszyna obliczała tablice logarytmów i zapisywała wynik na metalowej blaszce. Wspólnie z Josephem Clementem udało się zbudować prototyp jednego jej modułu.

Prace nad maszyną posuwały się wprawdzie powoli naprzód, lecz po czterech latach bez rezultatu, konflikty konstruktora z głównym wykonawcą uniemożliwiły ich kontynuację.

Tymczasem Babbage zaczął myśleć o nowej, lepszej maszynie, jeszcze bardziej skomplikowanej i wielozadaniowej. Ostatecznie po dziesięciu latach zarzucił prace na rzecz swojego następnego projektu, pierwszego urządzenia, które było czymś więcej niż kalkulatorem - Maszyny Analitycznej (Analytical Engine). Było to uniwersalne urządzenie obliczeniowe, miało być napędzane parą i składać się z ponad 50 tysięcy elementów. Planował użyć kart perforowanych, którymi Joseph Jacquard zautomatyzował pracę krosien tkackich w warsztatach w Lyonie. Chciał zastosować je do sterowania pracą nowej maszyny, która - jak to napisała lady Ada: "ma tkać wzory algebraiczne tak, jak krosna Jacquarda tkają kwiaty i liście." Dodawanie 40-cyfrowych liczb zajmowało urządzeniu trzy sekundy, a mnożenie i dzielenie - około czterech minut. Ta niezmiernie skomplikowana maszyna składała się z części, które mogą być porównane z funkcjami współczesnych komputerów:

  • "The Mill" (Młyn): centralny obszar przetwarzania danych - przetwarzanie instrukcji w dowolnych sekwencjach, skoki warunkowe
  • "The Store" (Skład): pamięć - mogła przechować tysiąc liczb o długości do 50 cyfr
  • programy i dane wprowadzano w formie kart perforowanych, miała też dziurkacze do ich zapisywania, czyli swego rodzaju drukarkę

XIX wiek

1805 - Francuski tkacz jedwabiu Józef Maria Jacquard stosuje karty perforowane do sterowania automatycznym krosnem. Tkanie skomplikowanych jedwabnych wzorów wymagało instrukcji wydziurkowanych na tysiącach kart.

Abraham Jakub Stern (prapradziadek Słonimkiego) od 1810 konstruował maszyny liczące. Został ściągnięty przez Stanisława Staszica z Hrubieszowa do Warszawy. Jego dziełem był np. "trianguł ruchomy", kalkulator mechaniczny wykonujący wszystkie 4 działania oraz maszyna do wyciągania pierwiastków kwadratowych. W 1817 zaprezentował maszynę będącą połączeniem dwóch poprzednich. Od 1830 członek Towarzystwa Przyjaciół Nauk.

George Scheutz czytał o maszynach Babbage'a w 1833 i razem ze swoim synem Edvardem Scheutzem zaczął pracować nad mniejszą wersją. Do 1853 skonstruowali maszynę, która mogła przetwarzać 15-cyfrowe liczby i wyliczać różniczki czwartego rzędu. Jego maszyna zdobyła złoty medal na Wystawie Paryskiej w 1855. Sprzedali ją Obserwatorium Dudley'a w Albany (Nowy Jork) gdzie była używana do obliczania orbity Marsa. Jej ulepszony model był wykorzystany do obliczania tablic statystycznych średniej długości życia, potrzebnych do ustalania stawek ubezpieczeniowych.

George Boole zajmował się pracami teoretycznymi w dziedzinie logiki. Udoskonalił system dwójkowy, co pozwoliło na prezentację dowolnych równań matematycznych w postaci prostych logicznych instrukcji. Jego prace opublikowano w latach 1839-65.

W latach 1847 i 1854 opublikował prace pozwalające na prezentacje wyrażeń logicznych za pomocą wyrażeń algebraicznych znane dzisiaj jako "Algebra Boole'a".

Na podstawie prac Boole'a inny angielski matematyk Augustus DeMorgan określił operacje logiczne nazywane dzisiaj prawami lub przekształceniami DeMorgana. Jednak te dokonania pozostały niezauważone przez większą część wieku.

1886 William S. Burroughs buduje pierwszy powszechnie sprzedawany mechaniczny sumator

W 1886 roku Dorr E. Felt zaprezentował Comptometer - pierwszy kalkulator obsługiwany za pomocą klawiatury, a nie np. przez wykręcanie cyfr na tarczy.

Herman Hollerith

Po raz pierwszy w praktyce pomysł użycia kart dziurkowanych odczytywanych przez elektroniczne czujniki i maszynowe przetwarzanie danych został zastosowany przez amerykańskiego wynalazcę Hermana Holleritha.

Po pewnych udoskonaleniach maszyna Holleritha stała się sorterem - maszyną powszechnie używaną do masowych obliczeń statystycznych. Każdy otwór w karcie reprezentował jedną cyfrę, a kombinacja 2 otworów przedstawiała literę. Na jednej karcie można było zakodować ok. 80 danych. Karty perforowane używane były w wielu zastosowaniach aż do 1960 roku.

1889 Patent Holleritha na maszynę do tabulacji; rok później Hollerith buduje elektromechaniczną maszynę do tabulacji użytej do opracowania danych ze spisu powszechnego.

Hollerith opracował karty o wymiarach 7,5 na 12,5 centymetra z dwunastoma rzędami po 20 otworów, które oznaczały wiek osoby, jej płeć, miejsce urodzenia, stan cywilny, liczbę dzieci itp. Akwizytorzy zbierali dane do spisu i przenosili odpowiedzi na karty, dziurkując odpowiednie otwory. Karty były wprowadzane do urządzenia rejestrującego i za każdym razem, gdy metalowa igła trafiała w otwór, zamykał się obwód elektryczny i informacja była zapisywana w zespole tarcz rejestrujących.

Elektryczny system tabulacyjny Holleritha, jak nazywano aparat, przeprowadził przy spisie w roku 1890 obliczenia dla 62 622 250 osób. Holerith udoskonalił później swój wynalazek, dodając do wyposażenia przystawki, w postaci automatycznych podajników kart.

W USA spisy powszechne były przeprowadzane co dziesięć lat. Obliczanie wyników spisu z 1880 zajęło prawie siedem lat. Ponieważ w międzyczasie znacznie wzrosła liczba ludności, więc obawiano się, że wyniki spisu z 1890 będą znane dopiero w przyszłym stuleciu, co stawiało pod znakiem zapytania sens ich organizowania. Żeby przyspieszyć liczenie, US Census Bureau użyło maszyn na karty dziurkowane Hermana Holleritha. Pozwoliło to obliczyć wyniki w sześć tygodni.

Dzięki temu sukcesowi Hollerith w 1896 założył Tabulating Machine Company. W 1911 połączył się z konkurencją i jego przedsiębiorstwo stało się największym producentem maszyn liczących. Firma ta od 1924 znana jest pod nazwą IBM (International Business Machines).

Elektroniczne maszyny liczące

1903 Nicola Tesla patentuje elektryczne bramki logiczne.

1904 John Ambrose Fleming wynalazł lampę elektronową, dwuelektrodową (diodę), a w 1906 Lee De Forest, skonstruował lampę trójelektrodową (triodę). Może pełnić funkcję przekaźnika, a dzięki temu, że nie zawiera żadnych elementów mechanicznych działa dużo szybciej. Pierwsze używane w komputerach lampy nie były wcale bardziej niezawodne od swoich mechanicznych odpowiedników. Były po prostu około tysiąca razy szybsze.

Elektromechaniczną technikę obliczeniową na zasadach logicznego programowania oparł Leonardo Torres. Jako pierwszy zbudował w 1915 roku w Hiszpanii maszynę mogącą podejmować decyzje o metodzie dalszych obliczeń w zależności od uzyskiwanych wyników pośrednich. Wykazał jej przydatność dla rozwiązywania końcówek szachowych, a także dla praktycznych zastosowań matematyki.

1910-20 Podstawy matematyki, rachunek zdań - B. Russel, A. Whithead.

1920 Jan Łukasiewicz jest autorem tzw. Notacji Polskiej; Odwrotna Notacja Polska (ONP).

1923 Słowo "robot" pojawia się w książce Karola Capka, "R.U.R. - Uniwersalne Roboty Rossuma"

1924 Z przekształcenia działającej od 1911 roku firmy "Computer Tabulating Company" powstaje IBM, International Business Machines

1926 Almanach nautyczny i obliczenia astronomiczne: w 1714 roku z powodu błędów w nawigacji nastąpiła katastrofa floty brytyjskiej. Ustanowiono nagrodę 20.000 funtów za sposób określania położenia na morzu. Część nagrody dostali Tobias Mayer i Leonard Euler, opracowali tablice położenia księżyca, potem Królewskie Obserwatorium wydało Almanach Nautyczny.

Leslie Comrie - z powodu działań wojennych wzrosło zapotrzebowanie na dokładne określanie położenia, zmechanizowanie obliczeń Almanachu, od 1926.

Pierwsze centra obliczeń astronomicznych.

1928 Vladimir Zworkin, rosyjski imigrant w USA, wynalazł kineskop.

1931 Budowa arytmometru ósemkowego.

1931 Vannebar Bush zaprojektował pierwszy komputer analogowy, nazwany analizatorem różnicowym. Zmiany wartości zmiennych w równaniach matematycznych były przedstawiane jako wahania napięcia prądu, tak iż operacje algebraiczne były przetwarzane na zmiany napięć w układach elektrycznych.

1933 w Anglii Douglas Hartree wraz z Arturem Potterem zbudowali, z elementów wartych zaledwie dwadzieścia funtów szterlingów, komputer analogowy. Potrafił on rozwiązywać równania z określoną i wielką dokładnością. Hartree jako pierwszy uczony wykorzystał swoje urządzenie do wykonywania obliczeń z dziedziny atomistyki.

Pod koniec lat lat 30-tych Claude E. Shannon doszedł do wniosku, że algebra Boole'a jest idealnym systemem dla maszyn liczących. Jego główne tezy pokazywały w jaki sposób boolowska koncepcja PRAWDY i FAŁSZU może być zastosowana do opisania funkcji przełączających realizowanych przez układy elektroniczne.

Prace nad maszynami do szybkich obliczeń, które funkcjonowały według systemu zerojedynkowej algebry Boole'a, a w wymiarze mechanicznym złożone były z przełączników elektromagnetycznych, rozpoczęto tuż przed II wojną światową. W 1937 roku Claude Shannon oraz George Stibitz pracując oddzielnie, skonstruowali elektryczne obwody przełączające według zasad Boole'a.

1937 Pierwszy kalkulator działający w systemie dwójkowym George Stibitz, Bell Laboratories

1939 Powstaje Hewlett-Packard

1940 Stibitz w Bell Labs demonstruje bardziej złożony Complex Number Calculator i używa go zdalnie przy pomocy teleksu na odległość kilkuset kilometrów.