Бизенц Торра - Том 15. От абака к цифровой революции. Алгоритмы и вычисления

• Название: Том 15. От абака к цифровой революции. Алгоритмы и вычисления
• Автор: Бизенц Торра
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0710-6

Алгоритмы управляют работой окружающих нас электронных устройств, благодаря которым становится возможным существование нашего удивительного цифрового мира.

По сути, компьютерная программа — не более чем алгоритм, составленный на языке, понятном компьютеру. Однако царствование алгоритмов в вычислительной технике — лишь краткий эпизод долгой и интересной истории, которая началась вместе с зарождением вычислений. В этой книге рассказывается история алгоритмов, а также описываются важнейшие особенности вычислений и вычислительной техники, начиная от первых счетных палочек и заканчивая компьютерами, без которых невозможно представить современный мир.

---

После окончания войны Тьюринга пригласили в Национальную физическую лабораторию (National Physical Laboratory), отвечавшую за развитие научно-технических стандартов в Великобритании. Там он разработал ACM (Automatic Computer Machine) — автоматическую компьютерную машину — и сформулировал понятие микропрограммирования как способа задания и изменения команд арифметико-логического устройства. Существует и альтернативный вариант, при котором арифметико-логическое устройство реализовано в оборудовании компьютера и его операции изменять нельзя. Тьюринг также определил понятия подпрограммы и программной библиотеки.

Весь 1947 год он отдыхал в Кембридже, где написал статью, в которой представил нейронную сеть — модель, использующую понятия из физиологии и неврологии. В следующем году, увидев, что работы над автоматической компьютерной машиной остановились, он перешел на службу в Манчестерский университет, где начал работу над программным обеспечением компьютера Mark I Максвелла Ньюмана.

В этот период он создал свои наиболее абстрактные работы. Он написал знаменитую статью «Вычислительные машины и разум», опубликованную в журнале Mind в октябре 1950 года, в которой изложил свою точку зрения на искусственный интеллект и описал знаменитый эксперимент, известный как тест Тьюринга. Целью эксперимента было определить, может ли машина мыслить.

Два оператора работают на «Колоссе» Mark 2.

* * *

ПОСТЫДНАЯ НЕСПРАВЕДЛИВОСТЬ

Математик и логик, который в немалой степени определил облик современного мира, в последние годы жизни подвергся столь постыдному и несправедливому преследованию со стороны полного предрассудков послевоенного британского общества, что это стоило ему жизни. Блестящая карьера Алана Тьюринга прервалась, когда его начали преследовать за нетрадиционную сексуальную ориентацию, которая в то время считалась в Великобритании преступлением. От подобных обвинений за 50 лет до этого пострадал Оскар Уайльд. Тьюринг знал, что ему нечего стыдиться, и начался судебный процесс, широко освещавшийся в прессе. Суд предложил ему выбор между тюремным заключением и гормональной терапией для подавления либидо. Желая избежать тюрьмы, он согласился на лечение, которое продолжалось в течение года, привело к значительным изменениям в организме ученого и сделало его импотентом. После этого Тьюринг покончил жизнь самоубийством, приняв цианид. Еще более примечательно, что в письмах коллегам он выражал беспокойство по поводу того, что эти обвинения бросят тень на его работы по искусственному интеллекту, которые он сам считал крайне важными для всего человечества. В 2009 году Гордон Браун, который в то время занимал пост премьер-министра Великобритании, публично принес извинения от имени британского правительства за преследование, которому подвергся Алан Тьюринг в последние годы жизни. С момента смерти Тьюринга, который оказал неоценимые услуги своей стране и всему цивилизованному миру в борьбе с нацизмом, прошло почти 60 лет.

* * *

В 1951 году он был избран членом Лондонского королевского общества. Однако в конце жизни он не получил того признания, которого заслуживал. В 1966 году, спустя несколько лет после его трагической гибели, Ассоциация вычислительной техники учредила премию, носящую его имя, — премию Тьюринга, которая считается эквивалентом Нобелевской премии в информатике. Среди лауреатов премии — ученые, совершившие выдающиеся открытия в области аппаратного и программного обеспечения, баз данных, теоретических основ информатики (включая криптографию) и компьютерных сетей.

Архитектура фон Неймана

Джон фон Нейман вошел в историю информатики в неспокойный период, во время Второй мировой войны, когда он работал над атомной бомбой в рамках «Проекта Манхэттен». Для проекта требовались новые вычислительные машины, которые в то время становились все более мощными и продвинутыми. Фон Нейман начал поиски ведущих исследователей в области вычислений по всей стране. Он обратился к Джону Пресперу Эккерту (1919–1995) и Джону Уильяму Мокли (1907–1980) из Пенсильванского университета, которые сконструировали компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный числовой интегратор и вычислитель), американский ответ британскому «Колоссу». Они хотели разработать новую, улучшенную машину под названием EDYAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer — электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными). В марте 1945 года фон Нейман изложил свои идеи в ставшем знаменитым документе «Первый черновик отчета об EDYAC», автором которого значился он один, что стало причиной разногласий Неймана с Эккертом и Мокли.

В «Первом черновике» была представлена архитектура фон Неймана, описывавшая наиболее эффективное устройство компьютера. В архитектуре фон Неймана программы хранятся во внутренней памяти компьютера, а устройства обработки и хранения данных разделены. Кроме этого, фон Нейман предложил хранить программы и данные в одной и той же памяти в целях экономии. Работа компьютера в архитектуре фон Неймана в общем виде состоит из трех этапов.

1. Извлечение инструкции из памяти.

2. Декодирование.

3. Исполнение.

* * *

ENIAC

ENIAC был завершен и представлен прессе в 1945 году, проработав десять лет до окончательной остановки в 1955 году. Учеными, внесшими основной вклад в его создание, были Герман Хайн Голдстайн, Джон Пресперт Эккерт и Джон Уильям Мокли. Этот огромный компьютер занимал площадь в 63 м2, весил 30 тонн и имел 2,6 метра в высоту, 0,9 — в ширину и 26 — в длину. В нем использовалось 18000 электронных ламп, 72000 диодов, 70000 резисторов и 1500 реле. Чтобы построить ENIAC, потребовалось выполнить примерно 5 миллионов соединений ручной пайки. Его стоимость составила почти полмиллиона долларов. В нем отсутствовала память, однако в его 20 накопителях могло сохраняться 20 десятизначных чисел. Переключатели также позволяли сохранять значения функций (104 двенадцатизначных числа). Сложение выполнялось за 0,2 миллисекунды, умножение — за 2,8 миллисекунды. При работе ENIAC температура в машинном зале поднималась до 50 °C. Ходили слухи, что во время его работы в Филадельфии, где располагался компьютер, случались кратковременные отключения электричества, так как он потреблял 160 кВт электроэнергии.

* * *

Таким образом обрабатывались все инструкции, последовательно записанные в памяти компьютера, если только среди инструкций не встречалась инструкция условного перехода. Эта архитектура не слишком отличалась от той, что использовали Чарльз Бэббидж и Конрад Цузе. Эта же архитектура используется в современных компьютерах.

После публикации «Первого черновика» фон Нейман занялся поисками финансирования для постройки более мощной вычислительной машины. Этой машиной стал ADIVAC, разработанный в IAS (Institute for Advanced Study — Институт перспективных исследований) в Принстоне в 1953 году.

* * *

ДЖОН ФОН НЕЙМАН (1903–1957)

Американец венгерского происхождения Джон фон Нейман — одна из ключевых фигур в науке XX столетия. Он был пионером современных цифровых вычислений и совершил открытия во многих областях: квантовой физике, кибернетике, экономике и, разумеется, математике. Фон Неймана называли вундеркиндом; в 1926 году, когда ему было всего 23 года, он получил степень доктора математики, защитив диссертацию по аксиоматике теории множеств. В Европе он занимался исследованиями в области математики и квантовой механики.

Он преимущественно работал в Гёттингене под руководством Давида Гильберта и написал книгу ««Математические основы квантовой механики» на немецком языке. В 1930 году Нейман эмигрировал в США, в возрасте 29 лет занял одну из пяти первых профессорских должностей в принстонском Институте перспективных исследований. Еще одну из этих должностей занимал Альберт Эйнштейн. Фон Нейман считается создателем теории игр и автором понятия MAD (Mutually Assured Destruction — «Взаимное гарантированное уничтожение»). Он работал над Манхэттенским проектом и созданием водородной бомбы.

* * *

Первые компьютеры в США

ENIAC как компьютер общего назначения был огромным шагом вперед, однако некоторые технические решения, использованные при его постройке, оставляли желать лучшего. Основная проблема заключалась в том, что для смены программы требовалось изменять конфигурацию электрических цепей вручную. Так как программа не сохранялась в памяти, в отличие от современных компьютеров, то для определения того, какие расчеты и в каком порядке следует произвести, требовалось подключать и отключать переключатели, как на старинных телефонных станциях. Эта задача была очень трудоемкой и требовала столько времени, что выгода от использования компьютера была крайне сомнительной.