В доисторическом прошлом люди считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4 тыс. лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы исчисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи «электронного мозга» - компьютера.
Закладка фундамента компьютерной революции происходила медленно и далеко не гладко. Отправной точкой этого процесса можно считать изобретение счетов, сделанное более 1500 лет назад, по-видимому, в странах Средиземноморья. Этим нехитрым устройством купцы пользовались для своих расчетов. Счеты оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему миру, а в некоторых странах применяются и по сей день. Вплоть до ХVII в., ознаменовавшегося невиданным подъемом творческой мысли, счеты как вычислительный инструмент оставались практически вне конкуренции. В течение почти пяти веков цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами, основой для их изобретения было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию десяти цифр десятичной системы исчисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи. Он был сделан в одном из его дневников (ученый начал вести дневник еще до открытия Америки в 1492 г.).
В 1623 г., через 100 с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи, немецкий ученый Вильгельм Шиккард предложил свое решение той же задачи на основе шестирядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес и рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Оба проэкта были обнаружены лишь в наше время и оба остались только на бумаге.
Заметный след в истории оставило изобретение Джоном Непером логарифмов, о чем сообщалось в публикации 1614 г. Его таблицы, расчет которых требовал очень много времени, позже были «встроены» в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, – логарифмическую линейку. Она была создана в конце 20-х годов ХVII в. В 1617 г. Непер придумал и другой способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название «костяшки Непера», состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получали результат их умножения.
Теории логарифмов Непера суждено было найти обширное применение. Однако его «костяшки» вскоре были вытеснены логарифмической линейкой и другими вычислительными устройствами, в основном, механического типа. Первым изобретателем их стал гениальный француз Блез Паскаль. Сын сборщика налогов, наблюдая бесконечные утомительные расчеты отца, задумал построить вычислительное устройство. Суммирующая машина Паскаля, «паскалина», представляла собой механическое устройство – ящик с многочисленными шестеренками. Приблизительно за десятилетие он построил до 50 различных вариантов машины. Хотя «паскалина» вызвала всеобщий восторг, она не принесла изобретателю богатства. Основной недостаток «паскалины» состоял в неудобстве выполнения на ней всех операций, за исключением простого сложения. Тем не менее изобретенный им принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных машин на протяжении следующих трех столетий. Первая машина, позволявшая легко производить вычитание, умножение и деление, была изобретена в том же ХVII в. в Германии Готфридом Вильгельмом Лейбницом.
В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, он решил изобрести механическое устройство, которое облегчило бы расчеты. «Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины», – заметил Лейбниц.
В 1673 г. он изготовил механический калькулятор. «Арифметический прибор» Готфрида Вильгельма Лейбница – двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление, для чего, в дополнение к зубчатым колесам использовался ступенчатый валик. «Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно» - с гордостью писал Лейбниц своему другу. Но прославился он прежде всего не этой машиной, а созданием дифференциального и интегрального исчисления. Он заложил также основы двоичной системы счисления, которая позднее нашла применение в автоматических вычислительных устройствах.
Прошло еще более ста лет и лишь в конце ХVIII в. во Франции были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники – «программное» управление ткацким станком с помощью перфокарт, созданным Жозефом Жакаром, и технология вычислений при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, который разделил численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, приведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.
Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим качественно новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники – переход от ручного к автоматическому выполнению согласно составленной программе. Им был разработан проект аналитической машины – механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина включала пять устройств – арифметическое (АУ), запоминающее (ЗУ), управления, ввода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 50-разрядных чисел!). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений: сложение и вычитание за 1 с., умножение и деление – за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода. Программы для решения задач на машине Беббиджа, а также описание принципов ее работы были составлены Адой Августой Лавлейс – дочерью Байрона.
Были изготовлены отдельные узлы машины. Всю машину из-за ее громоздкости построить не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 тыс. Заставить такую махину работать можно было только с помощью паровой машины, что и намечал Беббидж. Гениальную идею Беббиджа осуществил Говард Айкен, американский ученый, создавший в 1944 г. первую в США релейно-механическую ВМ – Марк – I. Ее основные блоки – арифметики и памяти были использованы на зубчатых колесах! Если Беббидж намного определил свое время, то Айкен, использовал все те же зубчатые колеса, т.е. в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения. Еще десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома) цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием – впервые в мире! – двоичной системы счисления. В 1937 г. машина Z1 (Цузе 1) заработала! Она была двоичной, 22-х разрядной, с плавающей запятой, с памятью на 64 числа и все это на чисто механической (рычажной) основе! В том же 1937 г., когда заработала первая в мире двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированной ВМ, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).
Пионерами электроники оказались и англичане – в 1942-43 гг. в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) ВМ «Колос». В ней было 2 тыс. электронных ламп! Машина предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта.
