Помощники разума

Как Чарльз Бэббидж опередил время

Не так давно, разбирая архив великого немецкого астронома Иоганна Кеплера, историки обнаружили письма его друга профессора Вильгельма Шиккарда. "То, что ты просчитываешь сам, - писал Шиккард триста пятьдесят лет назад, - я попытался сделать механическим способом". И дальше рассказывал, что изобрел счетную машину, как она устроена, зарисовывал ее.

До этого первым изобретателем вычислительной машины признавался французский ученый Влез Паскаль. Выходит, нет, Паскаль был вторым и создал свою арифметическую машину на двадцать лет позже.

Помощник разума

Даже во времена Шиккарда о его машине почти никто не знал. Только Кеплер да кое-кто еще из друзей профессора. Зато машина Паскаля стала знаменитой.

Как же она была устроена? Небольшой продолговатый ящик, вроде шкатулки. На крышке - круги с отверстиями. Когда эти круги поворачивали палочкой с острым кончиком, внутри "шкатулки" начинали вращаться зубчатые счетные колеса. Ответ появлялся в отверстиях, тоже расположенных на крышке.

Машина Паскаля могла складывать, вычитать. И все. Но в 1642 году даже такая машина казалась необыкновенной. Когда ее выставили в Люксембургском дворце, парижане толпами приходили смотреть на удивительную машину.

После этого изобретатели смелее взялись за дело. Хорошую машину изобрел знаменитейший немецкий математик и философ Лейбниц. Она умела производить все четыре арифметических действия: сложение, вычитание, умножение и деление.

Но что арифмометр Паскаля и даже Лейбница перед вычислительной машиной, построенной более века назад в Англии! Ее конструктором был крупный английский математик Чарльз Бэббидж. Любознательность Бэббиджа, казалось, не имела границ. Он поднимался на действующий вулкан Везувий и опускался на морское дно. Желая проверить влияние сильной жары на человеческий организм, он провел десять минут в печи при температуре сто тридцать градусов. Бэббидж придумал способ измерять высоту гор, изобрел прицел для наведения орудий, прибор для сигнализации землетрясений и многое другое.

Помощники разума

Но главным делом всей его жизни были вычислительные машины.

"Невыносимая, монотонная работа и усталость при непрерывном повторении арифметических действий, - писал Бэббидж, - подсказали мне идею машины, которая должна заменить человека". И он решил во что бы то ни стало осуществить свой грандиозный замысел: на зубчатых колесах (ничего другого тогда не было) создать огромную, сложную вычислительную машину.

Как управлять такой машиной? Бэббидж вспомнил дырчатые карты Жаккара. "Моя машина, - говорил изобретатель, - будет ткать математический узор, как ткацкий станок Жаккара - цветы и листья".

Работа шла медленно. Не хватало денег, помощников. Часть машины Бэббиджу все же удалось построить и показать в действии. В это время у него появился плаH новой, еще более сложной машины. Он назвал ее "аналитической".

Создать эту машину Бэббидж не успел. Только после его смерти сын изобретателя построил небольшую часть "аналитической" машины. Она хранится теперь в Лондоне, в музее.

Самое удивительное, что по принципу работы "аналитическая" машина напоминала электронную. На целых сто лет вперед предугадал гениальный Бэббидж!

Машинная арифметика

Говорят, что жители некоторых островов, расположенных в Тихом океане, еще недавно пользовались при счете только двумя цифрами. Число три они называли "два - один". Число четыре - "два - два". Пятерку - "два - два - один".

Все же гораздо удобнее, если цифр не две, а десять, от нуля до девятки, как в привычной нам десятичной системе счисления. Число мы разбиваем на разряды: единиц, десятков, сотен.

Машинная арифметика

Каждый разряд отличается от предыдущего и последующего ровно в десять раз.

Но считать можно не только десятками. Можно и двойками, как те островитяне, по двоичной системе. У этой системы тоже всего две цифры: 0 и 1. Однако их вполне достаточно, чтобы записать какое угодно большое число.

Числа здесь также делятся на разряды. Но двоичные разряды отличаются друг от друга не в десять, а только в два раза. В первом разряде может быть либо 0, либо - единица. Во втором - либо 0, либо - две единицы. В третьем - либо 0, либо - четыре единицы. И так далее.

Число один в двоичной системе записывается, как в десятичной, обычно: 1. Двойка - уже по-другому: 10. Это "расшифровывается" так: (1+1)+0 = 2. Тройка запишется вот так: 11. Действительно (1+1)+1 = 3. Четверка выглядит так: 100. В самом деле (1+1+1+1 )+0+0 = 4. Пятерка - так: 101. Шестерка - так: 110. Десятка - так: 1010. Попробуйте их "расшифровать" сами.

Лет двести - триста назад двоичной системой очень интересовались математики. Особенно высоко ценил ее Лейбниц. Он даже попросил выбить во славу любимой им системы медаль с надписью: "Чтобы вывести из ничего все, достаточно единицы". Но потом двоичные числа забыли и вспомнили о них лишь тогда, когда начали создаваться электронно-вычислительные машины.

Оказалось, что для таких машин лучше, удобнее двоичных чисел ничего нет.

Помощники разума

Первая электронная машина ЭНИАК весила тридцать тонн и занимала огромный зал. Четыре года американские инженеры и математики трудились над созданием этой машины. Зимой 1946 года ее показали публике.

Вскоре электронные машины появились и в нашей стране. Они были созданы под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. Советская БЭСМ-1 считалась в то время одной из лучших. Прошел год, другой, и число замечательных машин стало быстро расти. Теперь во всем мире работают сотни тысяч ЭВМ, как часто для краткости называют электронно-вычислительные машины.

Помощники разума

Их делят на поколения. Примерно через каждые пять лет новое поколение ЭВМ вступает в строй. В машинах первого поколения использовались электронные лампы. В каждой - тысячи ламп. Машины были громоздкими и тяжелыми, а считали не так уж быстро.

Второе поколение резко "похудело": на смену лампам пришли полупроводники, миниатюрные приборчики размером с горошину. Машины стали считать быстрее.

Сейчас - время новых поколений ЭВМ, еще более совершенных, надежных и быстродействующих. В них применяются крохотные пластинки из кремния, на которых особым способом "выращены" микроскопических размеров полупроводники, конденсаторы, сопротивления. Одна такая пластинка заменяет сотню деталей "старых" ЭВМ. Машины "научились" решать несколько задач одновременно. Скорость их работы - десятки миллионов операций в секунду. За один миг они успевают сделать значительно больше, чем самый опытный вычислитель за целый рабочий день.

А уже рождается пятое поколение машин со скоростью действия, которую даже вообразить невозможно: это сотни миллионов операций в секунду!

Машины 'научились' решать несколько задач одновременно

В залах, где работают ЭВМ - тишина, нарушаемая лишь пощелкиванием печатающих машинок. Это ВЦ - вычислительный центр. Таких центров у нас много, сотни. Здесь решаются самые разнообразные задачи. Рассчитываются самолеты и космические ракеты, мосты и турбины, вычисляются орбиты искусственных спутников, предсказывается погода. Машины трудятся безостановочно круглые сутки. Только раз в неделю им дают "отдых". В этот день их осматривают, ремонтируют, подстраивают.

Электронная машина начинается с устройства, через которое в нее поступают числа. Оно так и называется - вводное. Далее числа идут в память ЭВМ. Для машины ее память так же важна, как для нас, людей, наша. Сведения, которые могут нам понадобиться через большой срок и которые в голове удержать трудно: номера телефонов, адреса, фамилии, мы записываем в записную книжку. Она становится как бы нашей добавочной, "внешней" памятью. У машины тоже есть своя "внутренняя" память и есть "внешняя".

Первая собирается из маленьких ферритовых колечек. Феррит - это такой магнитный материал. Колечки, как бусины, нанизывают на тонкие проволочки. Бусы укрепляют в металлических рамках. Рамки становятся похожими на пчелиные соты, в каждой несколько тысяч колец - ячеек. Ячейкам присваиваются номера. Они - "адреса" ячеек. Потом рамки собирают в пакеты, и память готова.

Колечки машинной памяти

У ферритовых колечек - замечательное свойство. Когда по проволочкам пропускают электрический ток, колечки намагничиваются. Причем магнитный поток в колечке можно направить в одну сторону, а можно и в другую. Одну намагниченность условились считать за единицу, другую - за ноль. И тогда стало возможным в машинной памяти записывать двоичные числа. Например, в одной ячейке наводится единица, в другой - ноль, в третьей - опять единица. Вот и записано число 101. Намагниченность колечки сохраняют прочно до тех пор, пока запись не сотрут током.

Теперь вы понимаете, почему в электронных машинах используются двоичные числа, состоящие только из единиц и нулей. А если взять не две цифры, а десять? Записать их в памяти машины получится куда сложнее.

Память на магнитных кольцах может вместить тысячи чисел. Для машины это недостаточно. Поэтому-то машину и снабжают дополнительной, "внешней" памятью.

По устройству она похожа на магнитофон. Только вместо музыки на ленте записаны магнитными точками единицы. Пустые места означают нули. Несколько таких "магнитофонов" могут запомнить миллионы чисел. Богатая память! Но, к сожалению, медленная. Много времени теряется на то, чтобы отыскать в ней нужное число, на перемотку ленты.

Инженеры разрабатывают новые виды машинной памяти, емкие и быстрые. Применяют магнитные диски, магнитные барабаны и другие еще более сложные электронные приборы.

Путь чисел внутри машины - сложен. Из памяти они попадают в арифметическое устройство. Его можно назвать электронным арифмометром. Здесь числа складываются, вычитаются, делятся, перемножаются. Руководит работой машины управляющее устройство. Оно указывает, из каких ячеек памяти взять числа, что с ними сделать.

Арифметическое устройство

Но вот расчет закончен. Управляющее устройство посылает команду: выдать результат. И специальная машинка начинает быстро-быстро печатать его на широкой бумажной ленте обычными цифрами.

Но как же управляющее устройство само узнает, что и как нужно делать?

ЭВМ получает задание

Действительно, откуда машина знает, какие числа требуется сложить, какие перемножить, какие разделить? Одним словом, как удается заставить ее делать с числами именно то, что надо?

Машина сама ничего не сможет сделать до тех пор, пока мы детально, шаг за шагом не укажем ей, как задачу решать. Пока не составим подробную инструкцию, список команд, иначе говоря, программу. Составляют ее математики-программисты. И надо сказать, это большое искусство - составить хорошую программу.

Все числа из условия задачи вводятся в память машины. Я нарочно возьму очень простую задачу: к одному числу прибавить другое, а результат умножить на третье число. Как будет выглядеть программа для ее решения? Примерно так.

Команда № 1. К числу, записанному в ячейке 20 машинной памяти, прибавить число из ячейки 21, а то, что получится, поместить в ячейку 22.

Команда № 2. Взять число из ячейки 22, умножить на число из ячейки 23 и результат поместить в ячейку 24.

Команда № 3. Число из ячейки 24 выдать. Это значит: решив задачу, машина должна напечатать, что же у нее там получилось.

Такие сверхпростые задачи на электронных машинах, разумеется, не решают. Программы же для сложных задач состоят из нескольких тысяч команд.

Трудная посадка на Марс

Если программу написать словами или математическими знаками, машина ее не поймет. Она пишется на особом, машинном языке, цифрами, причем тоже двоичными, единицами и нулями. Но если написать или напечатать цифры просто на листке бумаги, опять ничего не получится. Применяют, как это делал еще Бэббидж, дырчатые карты из плотной бумаги, перфокарты. На таких картах двоичные цифры записываются легко и просто. Пробил отверстие - это единица. Отверстия нет - ноль.

Пачку перфокарт закладывают внутрь вводного устройства, и оно начинаете большой скоростью "глотать" карту за картой. Гибкие щеточки скользят по картам, считывают числа. Попадая в отверстие, щеточки включают ток. Единица, записанная отверстием, превращается в электрический сигнал, понятный машине. Если же сигнал не поступил, значит, на карте записан ноль. И это машине понятно. Чтобы считывание шло быстрее, используют вместо щеточек луч света. Он проникает в отверстия перфокарт и возбуждает электрический сигнал. Так вся программа переходит в память машины. Составление программы - дело кропотливое, трудоемкое. Эту работу тоже стараются переложить на "плечи" электронных машин. Математики пишут для машины лишь "общее руководство" на языке более удобном, чем машинный. А подробную программу на своем языке составляет уже сама ЭВМ.

Машина лечит

Трудно представить машину в роли врача. Неужели придет такое время, когда нас станут лечить не врачи в белых халатах, а железные роботы? Да нет, этого можно не опасаться, но электронные машины будут иметь в медицине огромное значение.

Врачи утверждают, что им известны сто тысяч признаков десяти тысяч болезней и около ста тысяч способов их лечения. Распознать сложное заболевание врачу одному не всегда удается. Тогда собираются несколько врачей, консилиум, и начинают они решать сообща. Но всегда ли можно собрать вместе лучших врачей, "светил" науки? Конечно нет. Тут как раз и может помочь электронно-вычислительная машина.

Идея простая: надо заложить в память машины (в числовом виде, разумеется) признаки многих, многих болезней. Использовать при этом знания самых крупных медиков, опыт всех больниц и поликлиник. У нас и за рубежом такие машины уже есть. Между ними и врачами не раз устраивали "соревнования". И всегда ЭВМ определяли болезни быстрее, а главное, точнее. Ничего удивительного. Машины "помнят" значительно больше признаков заболеваний, чем каждый врач в отдельности. И все-таки машина, самая "знающая" - лишь советчик врача. Ему решать: принимать совет машины или не принимать.

Машина лечит

В поликлиниках и больницах на каждого больного заводится "история болезни". Если человек болеет долго, "история болезни" превращается в пухлый том. С множеством разных записей. Нелегко разобраться в них. А как просто, когда сведения о больном хранятся в памяти электронной машины. По первому требованию врача она быстро сообщает необходимое. Не надо рыться в старых записях, терять время.

Больше того, зная все о больном, машина сможет заранее рассчитать, какое лекарство будет ему особенно полезно. Врач имеет возможность на машине "испытать" несколько лекарств и, подобрав наилучшее, прописать его больному.

Советские инженеры и врачи применили электронную машину на... курорте. На Кавказе, в Кисловодске, там, где у нас много санаториев, создан специальный вычислительный центр. Курортные врачи могут теперь "посоветоваться" с машиной. Какой курс лечения назначить? Какое лечебное питание выбрать?

Незаменимы ЭВМ в больницах в роли ночных нянечек. Машина не забудет напомнить больному, что пора принять лекарство, измерит температуру, пульс, частоту дыхания. При необходимости электронная няня позовет врача или медицинскую сестру.

Незаменимы ЭВМ в больницах

Спора нет: электронные машины - надежные помощники медиков. Именно помощники. Врачи останутся даже через много лет, даже в двадцать первом веке. Человеку всегда будут необходимы внимание и доброта.

Кибернетический библиотекарь

Триста лет назад во всем мире издавался один-единственный "Журнал для ученых". Он выходил во Франции. А теперь? Теперь издается более ста тысяч научных журналов на шестидесяти языках! Ежегодно в них печатается пять миллионов статей. С каждым годом все труднее следить за всеми новинками в науке и технике. Случалось, проведут ученые исследование, а потом выясняется, что оно уже было проведено в другой стране и об этом даже написано в журнале. Зря потрачены средства, время.

В больших библиотеках вдоль стен стоят шкафы. В них - сотни ящиков, туго набитых карточками. Это - каталог. В карточках записаны сведения о книгах и журналах, хранящихся в библиотеке. Читатели роются в картотеке, ищут необходимые им книги или журналы. Один ученый признавался: "На меня нападает страшная тоска и усталость, когда мечешься в течение нескольких часов от каталога к каталогу, перебираешь сотни карточек, но так и не находишь нужного. Эх, скорее бы электроника шагнула в библиотеки!"

А в самом деле. Ведь можно записать в памяти ЭВМ данные о всех книжных сокровищах, собранных в библиотеке. Тогда не придется тратить силы на поиски. За считанные секунды машина даст ответ: "Об этом напечатано в таком-то английском журнале, а об этом - в японском".

В крупнейших библиотеках электронные машины уже взяли на себя учет новых, только что полученных изданий, отвечают на вопросы читателей. Но это только начало.

Инженеры планируют с помощью электронных машин соединить все библиотеки страны. Если в одной библиотеке не найдется нужной книги, ЭВМ быстро выяснит, где эта книга есть, и попросит выслать. А если применить телевидение, то и высылать не придется. Находясь далеко от книги, в другом городе, можно будет читать ее на телеэкране.