Lịch sử ra đời của máy tính

8

Lịch sử ra đời của máy tính

Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Bulgaria
Vl. X. SENDOV,
Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
N. X. ROZOV

Bài “Tiền sử về sự ra đời của máy tính” (xem «Kvant», 1985, số 9) nói về con đường hàng thế kỷ của con người từ việc đếm ngón tay đến máy đo số học. Bây giờ chúng ta sẽ tiếp tục hành trình xuyên suốt lịch sử - từ sự xuất hiện của ý tưởng lý thuyết về “máy đếm” cho đến việc tạo ra những chiếc máy tính thực sự đầu tiên. Giai đoạn phát triển này của công nghệ máy tính, ngay trước thời đại máy tính hiện đại, mất khoảng một thế kỷ.

Trên bờ vực của sự hiện thực hóa và điều tuyệt vời

Cuộc cách mạng công nghiệp vĩ đại, được đánh dấu bằng sự chuyển đổi dần dần nhưng ổn định từ công việc sửa chữa thủ công quy mô nhỏ sang sản xuất máy móc quy mô lớn, theo thời gian đã ảnh hưởng đến tất cả các lĩnh vực công nghệ và tạo động lực mạnh mẽ cho sự tiến bộ hơn nữa của khoa học. Đó là thời đại của những khám phá vĩ đại, những phát minh kiệt xuất, những ý tưởng hiệu quả. Sự tiến bộ cuối cùng không thể tự biểu hiện ở dạng tính toán, liên quan đến các vấn đề thương mại, công nghiệp và khoa học kỹ thuật.

Kể từ đầu thế kỷ 19, sự chú ý chính của sinh viên quan tâm đến việc tạo điều kiện và hỗ trợ tính toán là tập trung vào việc cải tiến toàn diện các thiết bị đếm ngày càng trở nên phổ biến. Mục đích chính của thiết bị đếm (ví dụ thành công nhất là máy đo số học Odner) là thực hiện độc lập bất kỳ phép tính số học nào trên các số.

Có thể tạo ra một cỗ máy không chỉ thực hiện các phép tính số học riêng lẻ mà còn “biết cách” tự động thực hiện toàn bộ chuỗi tính toán cần thiết cho lời giải bài toán nói chung không? Việc đặt câu hỏi này ngày nay có vẻ hoàn toàn tự nhiên và hợp lý, nhưng một trăm năm mươi năm trước, ngay cả suy nghĩ này cũng không tầm thường và được đánh dấu bằng việc phát hiện ra một hướng đi mới trong nghiên cứu khoa học. Người được định mệnh thể hiện và lần đầu tiên cố gắng thực hiện các chức năng

9

Ý tưởng về máy tính là của Charles Babage người Anh (1791-1871).

Một nhà toán học lỗi lạc, một kỹ sư tài năng, một nhà phát minh đa năng, một nhà khoa học tự nhiên nổi tiếng, một nhà nghiên cứu ham học hỏi, C. Babage, với nhiều sở thích và hoạt động hoàn thành, đã dành cả cuộc đời mình không mệt mỏi và kiên trì làm việc để phát triển và thiết kế máy tính.

Năm 1822, ông chế tạo một mô hình máy mà ông gọi là “máy sai phân” và bắt đầu tạo ra một máy sai phân lớn được thiết kế để tính toán các bảng khoa học và thiên văn. Tuy nhiên, công việc này chưa bao giờ được hoàn thành vì nhiều lý do.

Năm 1834, C. Babidge bắt đầu nghiên cứu sản phẩm chính của mình - một chiếc máy tính mà ông gọi là “phân tích” và được cho là có thể tự động giải quyết tất cả các vấn đề tính toán. bài toánmà các kỹ sư và nhà toán học đã gặp phải. Dự án hoành tráng về một cỗ máy như vậy, được tác giả phát triển với độ chi tiết đáng kinh ngạc, đã đi trước thời đại đến mức việc triển khai nó trên thực tế không thể không trở thành phi thực tế.

Chính xác thì bước tiến của Ch. Babidge trong sự phát triển của công nghệ máy tính? Trước hết, các máy của Babage, cả phân tích và khác biệt, được thiết kế không để thực hiện từng phép tính số học theo lệnh riêng lẻ của con người, nhận được mỗi lần sau khi hoàn thành thao tác trước đó, mà để thực hiện toàn bộ quá trình trao đổi tính toán mà không cần sự can thiệp của con người ở các giai đoạn trung gian. Hơn nữa, nếu công cụ sai phân tập trung vào một chương trình hành động không thay đổi, được xác định đầy đủ với các số cho trước, thì công cụ phân tích cho phép thực hiện các chương trình tính toán khác nhau tùy thuộc vào bài toán được xem xét. Trong ngôn ngữ hiện đại, công cụ sai phân là một máy tính chuyên dụng có chương trình cố định và công cụ phân tích là một phép tính tự động phổ quát.

Charles Babidge là tác giả của dự án máy tính phần mềm phổ thông đầu tiên.

Cần lưu ý rằng công cụ phân tích của Babage là một tập hợp các đơn vị chuyên biệt: thiết bị nhập thông tin ban đầu (dữ liệu ban đầu), thiết bị lưu trữ (bản ghi nhớ), thiết bị số học (thực hiện các phép toán trên số), thiết bị điều khiển (đảm bảo thực hiện các thao tác theo trình tự yêu cầu), thiết bị nhập thông tin đã xử lý (kết quả). Nói cách khác, cỗ máy này, tiền thân của kiến ​​trúc máy tính hiện đại, hầu như có tất cả các thành phần cấu trúc cơ bản hiện tại.

Tuy nhiên, anh ấy là một đứa trẻ ở thời đại của mình! - Công cụ phân tích, giống như tất cả các thiết bị tính toán trước nó, là (và không thể không) là một máy tính cơ học thuần túy. Rốt cuộc, hàng thế kỷ nghiên cứu trong lĩnh vực điện đã trôi qua trong nửa đầu; công việc sử dụng nó chỉ mới bắt đầu. Đó là lý do tại sao những ý tưởng tuyệt vời của Charles Babage về mục đích, cấu trúc logic và nguyên lý hoạt động của máy tính hóa ra lại mắc kẹt trong quần áo, định trước sự điên rồ

10

triển vọng của những nỗ lực đưa những cỗ máy như vậy vào cuộc sống. Tuy nhiên, ở đây cũng vậy, Ch. Babidge đang cố gắng nói một từ mới: dự án đã được thiết lập sẵn, đưa một cỗ máy tương tự vào hoạt động phải là động cơ hơi nước.

Đệ nhất phu nhân của Vương quốc Máy tính

Như lịch sử sau đó cho thấy, một trong những Ch. Ý tưởng khác của Babidge là hệ thống điều khiển máy tính sử dụng thẻ đục lỗ do ông đề xuất. Ý tưởng sử dụng những tấm thẻ có đục lỗ đáp án (thẻ đục lỗ) trở nên phổ biến sau khi nhà phát minh người Pháp Joseph Marie Jacquard (1752-1834) sử dụng chúng để tự động hóa hoạt động của máy dệt vào năm 1804. Tuy nhiên, lần đầu tiên, Ch. Babidge đã phải tham gia vào việc phát triển chi tiết nhiều vấn đề liên quan đến việc đưa dãy số và chuỗi lệnh vào máy bằng thẻ đục lỗ.

Việc điều khiển máy tính là rất/không thể nếu không có sự phát triển của lý thuyết mô tả hợp lý các tập hợp các thao tác mà máy phải thực hiện ở lời giải khác nhau bài toán. Vì vậy, sự xuất hiện của một hướng đi mới trong khoa học – lập trình – là điều tất yếu. Công lao tạo ra xu hướng này thuộc về Augusta Ada Lovelace (1815-1852), con gái của nhà thơ vĩ đại người Anh George Byron.

Lady Lovelace, người thể hiện khả năng toán học phi thường, rất quan tâm đến tác phẩm của Charles Babage và hiểu sâu sắc ý tưởng của ông. Trong ấn phẩm năm 1843 của mình, được coi là tác phẩm đầu tiên về lý thuyết lập trình, bà đã bày tỏ một số suy nghĩ và nguyên tắc vẫn giữ được ý nghĩa của chúng cho đến ngày nay, và một số thuật ngữ do ông đề xuất đã trở nên cố định trong ngôn ngữ khoa học. Về mặt lịch sử, cô cũng sở hữu chương trình cụ thể khá phức tạp đầu tiên - để tính cái gọi là số Bernoulli bằng thuật toán được phát triển đặc biệt (tất nhiên, cô không thể thử chương trình này trên thực tế do thiếu máy móc).

Nói về lập trình, người ta không thể không lưu ý thêm hai sự thật có từ thế kỷ 19 và đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của ngành khoa học này. Đầu tiên là “phát minh” ra một lệnh đặc biệt của C. Babidge, ngày nay được gọi là lệnh chuyển tiếp có điều kiện (họ còn gọi là phân nhánh) và có ý nghĩa đặc biệt trong lập trình hiện đại. Lệnh này cho phép chính máy tự động xác định trình tự hoạt động tiếp theo tùy thuộc vào kết quả thu được ở một bước nhất định của công việc. Điều này mở ra khả năng hướng dẫn máy thực hiện không chỉ các hoạt động tranh luận mà còn cả các hoạt động logic.

Tuy nhiên, để tiến lên theo con đường này, cần phải phát triển một bộ máy phân tích công thức-toán học của các phát biểu logic. Lý thuyết được đề xuất vào năm 1847 bởi nhà toán học người Anh George Boole (1815-1864) và được gọi là đại số Boolean hóa ra chính xác là một bộ máy như vậy.

11

Đây là sự thật lịch sử thứ hai của thế kỷ 19, được xác định trước bởi việc sử dụng máy tính cho lời giải các vấn đề logic và tự động hóa lý luận.

Một thời hy vọng, một thời tìm kiếm

Ch. Babidge qua đời, công cụ phân tích của ông vẫn là một dự án chưa hoàn thành… Nhưng ý tưởng chính của ông - tạo ra một máy tính tự động có điều khiển chương trình để thực hiện các phép tính khoa học và kỹ thuật - đã không thể thực hiện được. Vì đó là một tầm nhìn đột phá về những nhu cầu cấp thiết của sự phát triển liên tục của nền văn minh.

Vào cuối thế kỷ này, số lượng mẫu mã và sửa đổi của máy đo số học và các thiết bị đếm khác (bàn phím, máy ghi âm, v.v.) đã tăng lên nhanh chóng và việc sản xuất và sử dụng rộng rãi chúng bắt đầu. Máy đo số học đã tạo điều kiện thuận lợi và giảm thiểu đáng kể công việc thường ngày và tiện dụng nhất - thực hiện các phép tính số học. Tuy nhiên, lời giải thực tế của bất kỳ toán học cụ thể nghiêm túc nào bài toán, thu được đáp số thực trong đó dưới dạng dữ liệu số, chủ yếu là thông thường và cần thiết trong các ứng dụng, vẫn là một khoảng cách hoàn toàn, không phải là một nhiệm vụ đơn giản và tốn nhiều công sức, đòi hỏi các nhóm máy tính lớn thành công lâu dài.

Ví dụ, một trong những vị trí chính kết nối toán học với cuộc sống là các phương trình vi phân. Đương nhiên, việc tìm kiếm lời giải (hoặc, như các nhà toán học nói, nội hóa) các phương trình như vậy là một đối tượng điển hình của công việc tính toán. Đây là những gì đã nói về điều này trong cuốn sách “Giải thích số của các phương trình vi phân”, được xuất bản chỉ cách đây nửa thế kỷ, vào năm 1932: “Người đọc nên nắm chắc ý chính: lời giải của các phương trình này trong phần lớn các trường hợp là một phép toán cực kỳ khó khăn trên thực tế, một phần tương đối lớn thời gian cần thiết để tính toán…”

Điều đó hoàn toàn rõ ràng: giải quyết mâu thuẫn ngày càng gia tăng giữa trình độ phát triển của toán học

lý thuyết lý thuyết và khả năng thực hiện nó.link Chỉ có máy tính mới có thể nhìn thấy những khó khăn to lớn trong cách thực hiện các phép tính mà công nghệ và khoa học, kinh tế và quản lý không cần đến. Những điều này trước hết giải thích rằng sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc thiết kế máy tính, nổi lên rõ ràng vào cuối thế kỷ 19, sau đó bắt đầu tăng mạnh. Thông qua nỗ lực của từng kỹ sư, nhà vật lý, nhà toán học, nhà phát minh và thường là của cả nhóm, nhiều kết quả đáng chú ý đã đạt được. Không thể không ủng hộ rằng, ở một mức độ lớn, những kết quả này là không thể nếu không có những khám phá và nghiên cứu được thực hiện vào thời điểm đó về vật lý, cơ học, công nghệ, không có trình độ sản xuất công nghiệp và văn hóa kỹ thuật có thể tiếp cận được.

Những loại máy tính nào được thiết kế và tạo ra trong nửa đầu thế kỷ của chúng ta? Hơn nữa, chỉ liệt kê mô hình của họ sẽ chiếm quá nhiều không gian. Do đó, chúng tôi sẽ chỉ giới hạn trong danh sách ngắn gọn các tính năng cơ bản, chính của chúng và một số ví dụ.

Một nhóm lớn bao gồm các máy tính cơ điện chuyên dụng, được biểu thị bằng một máy tính cơ học, được điều khiển bởi một bộ truyền động điện và được điều khiển bằng các xung điện. Máy lập bảng (bắt đầu: máy đếm và phân tích, hoặc máy đếm và đục lỗ), được sử dụng chủ yếu để cơ giới hóa lời giải bài toán thống kê và kế toán, đã trở nên đặc biệt phổ biến. Máy lập bảng đầu tiên được phát triển vào năm 1884 bởi kỹ sư người Mỹ Herman Hollerith (1860-1929).

Máy tính cơ điện được chế tạo để tập trung vào các bài toáns thực tế quan trọng khác. Phải thừa nhận rằng một số trong số đó là những ý tưởng thiết kế hoàn hảo một cách tự nhiên hơn và cách sử dụng kỹ thuật lý tưởng. Trong số đó, phải kể đến chiếc máy đầu tiên dùng tích phân các phương trình vi phân, được phát minh bởi nhà toán học nổi tiếng Liên Xô và đồng nghiệp.

12

học giả nô lệ A. N. Krylov (1863-1945). Chúng tôi lưu ý thêm rằng vào năm 1915, công ty Ascania (Werlin) đã sản xuất một chiếc máy tính để xác định thời gian thủy triều ở bờ biển phía bắc nước Đức. Cỗ máy bao gồm một dây ren phức tạp gồm hàng trăm bánh răng bằng đồng và không cồng kềnh đến thế. Để lập lịch thủy triều trong năm, anh ấy đã phải “chuyển bánh răng” trong tám giờ - khá nhanh vào thời điểm đó. Nhưng điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là chiếc xe đã phục vụ một cách trung thực và chính xác trong suốt 60 năm - cho đến năm 1975!

Nhóm còn lại bao gồm các máy tính cơ điện phổ thông có điều khiển chương trình. Những máy này đã sử dụng một kỹ thuật mới - rơle điện từ. Máy vận hành đầu tiên trong lịch sử thuộc loại này là máy Ts-3, do kỹ sư người Đức Konrad Zuse chế tạo vào năm 1941, nhưng sự kết thúc của nước Đức dưới thời Hitler đã dẫn đến thành tựu này của khoa học Đức không nhận được danh tiếng kịp thời và không có tác động đến sự phát triển của công nghệ máy tính.

Máy móc tiên tiến nhất của nhóm này, được gọi là “Mark-1”, được tạo ra vào năm 1937-1944 dưới sự lãnh đạo của nhà vật lý người Mỹ Howard Aiken. Cô ấy đóng vai trò quan trọng trong lời giải một số vấn đề chính trong thiết kế máy tính. Dưới đây là một số đặc điểm của nó. “Mark-1” nặng 4,5 tấn, chiếm diện tích 17x2,5 m và là sự kết hợp phức tạp của một số lượng lớn rơle và các bộ phận cơ khí được kết nối bằng 800 km dây điện. Việc nhập dữ liệu ban đầu - các số có 23 chữ số nói chung (thập phân) được thực hiện bằng thẻ đục lỗ và hướng hoạt động của máy được cung cấp bằng băng đục lỗ giấy. Phép tính cộng (trừ) mất 0,3 giây, trong khi phép nhân và chia lần lượt cần 5,7 giây và 15,3 giây.

Cuối cùng, chúng ta hãy đề cập đến một nhóm máy tính analog (hoặc máy sóng liên tục) thậm chí còn lớn hơn. Hoạt động của những chiếc máy này dựa trên ý tưởng xây dựng - theo dữ liệu ban đầu - một mô hình mạch (chủ yếu là điện), sự thay đổi một trong các đặc tính vật lý (ví dụ: điện áp) sẽ xác định con sói mong muốn. Những máy này hoạt động đặc biệt tốt ở lời giải bài toán, nơi điều quan trọng chủ yếu là thu được sự thể hiện định tính hoặc đồ họa về sự thay đổi của những điều chưa biết. Tuy nhiên, chúng thực tế không phù hợp cho các tính toán đặc biệt.

Vì vậy, những thành công đạt được trong việc chế tạo máy tính là không thể phủ nhận. Tuy nhiên, những chiếc máy này không có cách nào có thể đáp ứng được nhu cầu tính toán khổng lồ đã phát triển vào giữa thế kỷ 20. Thiết kế của chúng cực kỳ tốn kém và cồng kềnh không thể chấp nhận được, tốc độ hoạt động vẫn quá thấp, dung lượng bộ nhớ rõ ràng là không đủ và việc kiểm soát quá trình tính toán hóa ra không linh hoạt trong thực tế. Sự phát triển sâu hơn nữa của công nghệ máy tính và việc sử dụng rộng rãi nó không thể được đảm bảo một cách khách quan chỉ bằng cách cải thiện việc thực hiện các ý tưởng hiện có.

Một ý tưởng mới về cơ bản là cần thiết…

“ABC” - máy tính điện tử đầu tiên

Một ý tưởng mới về cơ bản là thay thế tất cả các bộ phận cơ khí của máy, tất cả các rơle điện từ bằng các bộ phận điện tử.