Difference Engine
Читаем по-английски

Making a difference

When was the computer invented? Among possible answers to this question, the credit for designing the earliest precursor to modern machines goes to 19th-century British mathematician and engineer Charles Babbage (1791–1871).

Born the son of a wealthy banker, Babbage spent his childhood in Devon in the west of England. He entered Cambridge University in 1810, and later became its Lucasian Professor of Mathematics — a post once held by Isaac Newton. However, as well as academic interests, Babbage was also involved in the application of mathematics to practical uses, such as insurance, work processes, and engineering.

The 19th century origins of the computer

Babbage and railways

Babbage took a keen interest in one of the age’s most important developments, the railway. He contributed several inventions and was present at the opening ceremony of the Manchester and Liverpool line, in north-west England on 15 September 1830. The day also saw the death of parliamentarian William Huskisson, who was run over by George Stephenson’s locomotive “Rocket” — the world’s first railway passenger fatality. “I feared… the people madly attempting to stop by their feeble arms the momentum of our enormous train,” wrote Babbage later.

Perhaps the accident spurred Babbage to concern himself with railway safety, as, in 1838, he invented the cowcatcher (also known as a “pilot”) that could be attached to the front of locomotives to clear obstacles from the track. It is Babbage who connects the cowcatcher with computing.

From human to mechanical computers

Thousands of years ago, the first device to help people manipulate long series of numbers was the abacus. In the 17th century, as the pace of scientific observations increased, the slide rule was invented by Englishman William Oughtred in 1622. The following year Wilhelm Schickard, of Germany, made the first mechanical calculator. Philosopher and mathematician Blaise Pascal came up with the Pascaline in 1645, to help his father’s work in the French tax system. In the 1670s, Gottfried von Leibniz invented a Stepped Reckoner.

There were important reasons for achieving correct figures. Navigation of ships, for example, required precise tables in nautical almanacs to discover a vessel’s position. New inventions aimed not only to make calculating faster; they were also meant to remove the risks of human error.

Such errors greatly annoyed Babbage. In 1821, he and his friend John Herschel (son of the astronomer William Herschel) found numerous faults in tables they were revising for the Royal Astronomical Society. Correcting the tables was painstaking work, leading Babbage to exclaim “I wish to God these calculations could be executed by steam!” He decided to automate a process that, until then, was performed by people called “computers.” In so doing, he took important steps towards creating what we know as computers today.

The Difference Engine

With the aim of reducing labour and guaranteeing accuracy, Babbage’s “Difference Engine” was to comprise thousands of cogs called “figure wheels”. Its name derived from use of the mathematical “method of differences,” by which calculations are achieved through repeated additions of the differences between successive terms in a series. This allows difficult multiplications to be replaced with simple additions. Teeth on each cog stood for numbers, with the wheel at the bottom of a column showing units, the second showing tens, and so on. Babbage constructed a demonstration model of the Difference Engine and announced his invention at the Royal Astronomical Society in 1822.

A revolutionary aspect of the engine was that it was entirely automatic. Previous calculators required each mathematical operation to be entered by hand, and so expertise in arithmetic was needed to achieve a correct result. In contrast, the Difference Engine could be used by anyone. It was the world’s first device to incorporate mathematical rules into mechanisms. “The marvellous pulp and fibre of a brain had been substituted by brass and iron, (Babbage) had taught wheelwork to think,” wrote his biographer Harry Wilmot Buxton.

By 1849, Babbage had designed his more efficient “Difference Engine Number 2.” It was to contain eight columns, each with 31 figure wheels — meaning it could generate a 31-digit calculation. Half the engine’s parts were dedicated to a printer, so that no human hand could introduce mistakes into the results. It not only printed these, but also could be programmed to give various formats (such as the grouping of data sets) to the print-out.

However, aside from partial models, neither version of the Difference Engine was completed. It was left to Swedish inventor Per Georg Scheutz to finish a device in 1853, based on Babbage’s design, which he showed at the Exposition Universelle in Paris in 1855. Then, in 1991, at the Science Museum in London, a full-scale Difference Engine was constructed according to Babbage’s plans. The work was supervised by the museum’s curator of computing, Doron Swade, who later wrote “we had built the first Babbage Engine, complete and working perfectly, 27 days before Babbage’s 200th birthday.”

Advancing further

One reason for Babbage not finishing the Difference Engine was that he turned his attention to creating an even more advanced machine: a general-purpose, programmable computer. This will be the topic of the next Pioneer’s Page.

Создавая разницу

Родившись в семье преуспевающего банкира, Беббидж провел детство в Девоне на западе Англии. В 1810 году он поступил в Университет Кембриджа и позже возглавил там кафедру математики – пост, который в свое время занимал Исаак Ньютон. Однако наряду с академическими интересами, Беббидж занимался и практическим применением математики, например, для страхования производственных процессов и инженерных расчетов.

Истоки компьютера в 19 веке

Когда был изобретен компьютер? Среди возможных ответов на этот вопрос есть и изобретение самого первого предшественника современных машин, восходящее к британскому математику и инженеру 19 века Чарльзу Беббиджу (1791–1871).

Беббидж и железная дорога

Особый интерес у Беббиджа вызывало одно из самых важных событий века  — открытие железной дороги. Он сделал несколько изобретений и присутствовал на церемонии открытия линии Ливерпуль-Манчестер в северо-восточной Англии 15 сентября 1830 года. В тот же день умер член парламента Уильям Хаскинсон, которого сбил локомотив «ракета» Джорджа Стефенсона – это было первое в мире железнодорожное происшествие со смертельным исходом. «Я боялся… что люди в своем безумии попытаются остановить своими слабыми руками начало движения нашего огромного поезда», — позже писал Беббидж..

Вероятно это происшествие подтолкнуло Беббиджа к работе над безопасностью на железной дороге, так как в 1838 году он изобрел скотосбрасыватель (также известный как «пилот»), который прикреплялся впереди паровоза, чтобы удалять с пути препятствия.

От человека к механическому счету

Тысячу лет назад первым устройством, помогающим человеку проводить сложные расчеты, были счеты. Много позже счеты стали делать из кости, дерева и иных материалов. А уже в 17 веке, в результате увеличения темпа развития научных наблюдений, англичанин Уильям Афтред изобрел в 1622 году логарифмическую линейку. В следующем году в Германии Вильгельм Шикард сделал первый механический калькулятор. Философ и математик Блез Паскаль сделал в 1645 году свою Паскалину (известную также как «Калькулятор Паскаля»),  чтобы помочь отцу в работе над французской налоговой системой. В 70-х годах 17 века Готфрид фон Лейбниц изобрел ступенчатый счислитель.

Требовались точные вычисления, и тому были важные причины. В мореплавании например, для определения положения корабля требовалаись точные таблицы в морских альманахах. Новые изобретения были призваны не только ускорить вычисления; они также должны были снизить риск ошибки.

Такие ошибки очень огорчали Беббиджа. В 1821 году он со своим другом Джоном Хершелем (сыном астронома Уильяма Хершеля) обнаружили большое количество ошибок в таблицах, которые они пересматривали для Королевского Астрономического Общества. Исправление этих таблиц требовало тщательной работы, и однажды Беббидж воскликнул: «Как бы я хотел, чтобы эти таблицы составлялись с помощью пара!». Он решил автоматизировать процесс, который до того времени выполнялся людьми, которые назывались «расчетчики». Поступив так, он сделал важные шаги по направлению к тому, что сейчас нам известно как компьютеры.

Разностная машина

Для того, чтобы уменьшить трудовые затраты и гарантировать точность Беббидж создал «Разностную машину», которая состояла из тысяч шестеренок, «цифровых колес». Ее названаие отражает используемый в ней атематический «метод разности», при котором результат вычислений получается путем повторяющегсоя сложения разностей  между последовательными членами рядов. При этом сложные умножения заменяются простым сложением. Зубчики на каждой шестерне отражали числа, колесо внизу колонны означало единицы, второе – десятки и так далее. Беббидж создал демонстрационную модель разностной машины и объявил о своем изобретении на заседании Королевского Астрономического Общества в 1822 году.

Революционный аспект устройства состоял в том, что она была полностью автоматической. Предыдущие калькуляторы требовали, чтобы каждая математическая операция вводилась вручную, так что для получения правильного результата нужно было знать арифметику. Напротив, на разностной машине мог работать кто угодно. Это была первая в мире машина, использующая математические правила в механизмах. «Удивительные клетки и нервы мозга были заменены латунью и железом, (Беббидж) научил зубчатый механизм мыслить», — писал его биограф Гарри Вилмот Бакстон.

К 1849 году Беббидж придумал свою более эффективную «Разностную машину номер 2».  Она состояла из восьми колонн, по 31 шестерне в каждой – что означало, что она может совершать 31-значные вычисления. Половинау машины занимало печатающее устройство, так что человеческая рука не могла внести ошибку в результаты. Машина не только печатала, но и могла выдавать на печать результаты в разных форматах  (например, сгруппировав ряд данных).

Однако кроме отдельных моделей ни одна версия Разностной машины не была завершена. В 1853 году шведский изобретатель Пер Георг Шойц завершил устройство на основе проекта Беббиджа, которое он показал на Всемирной Выставке 1855 года в Париже. Затем, в 1991 году в Музее Науки в Лондоне по чертежам Беббиджа была собрана полноразмерная Разностная машина. Работа осуществлялась под надзором куратора музея по вычислениям, Дорона Суэйда, который позже писал «мы построили первую Машину Беббиджа, завершенную и отлично работающую, за 27 дней до двухсотлетия Беббиджа».

Продвижение дальше

Одной из причин, из-за которой Беббидж не закончил Разностную машину, была в том, что он решил заниматься созданием еще более совершенной машины: программируемого компьютера общего назначения