Все уже привыкли к тому, что компьютер — это цифровой гаджет. Мало кто помнит о том, что вычислять можно с помощью воды или газа, и не задумывается, что, кроме стимпанка, могло бы быть и другое направление развития вычислительной техники и технологий в целом.
Вспомним определение аналогового компьютера, историю аналоговых вычислительных машин и их потенциал в будущем. Этой статьей «Компьютерра» вместе с ИТ-вендором «Инферит» запускает цикл об истории технологий.
Дисклеймер: compute — значит вычислять. Поэтому здесь мы исходим из того, что и логарифмическая линейка — тоже компьютер, хотя это и спорный вопрос.
Что такое аналоговый компьютер?
Определение легко найти в Википедии. Аналоговая вычислительная машина — вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров. Ими могут быть, например:
- скорость,
- длина,
- напряжение,
- сила тока,
- давление и так далее.
Программы в сегодняшнем понимании у аналоговых вычислительных машин отсутствуют. Как ее изначально настроили — так она и будет работать, то есть ее структура определяет решение задач. Если же речь идет об универсальных аналоговых вычислительных машинах, то для новой задачи их также нужно было перенастраивать.
Такие машины классифицируют в зависимости от рабочего тела (механические — пневматическая, гидравлическая; электрические; комбинированные), по конструктивным признакам (АВМ матричного типа, АВМ структурного типа), по способу функционирования (быстрая АВМ, медленная АВМ, итеративная АВМ).
Интереснее, конечно, взглянуть на конкретные примеры.
Аналоговые вычислительные машины до XIX века
Традиционно эту тему нужно начинать с описания антикитерского механизма, предсказывающего положение планет и солнца. Механизм подняли в 1901 году с затонувшего античного судна. В деревянном корпусе были размещены не менее 30 бронзовых шестерней. На передней и задней панелях — циферблаты со стрелками. Антикитерский механизм использовался для расчета движения небесных тел и позволял узнать дату 42 астрономических событий.
Устройства, схожие по описанию с антикитерским механизмом, встречаются в ряде литературных произведений между 300 годом до н.э. и 500 годом нашей эры.
Параллельно с антикитерским механизмом был еще один аналоговый компьютер — попроще: астролябия.
Ее использовали примерно с IV века до нашей эры и вплоть до XIX века. Она помогала измерять горизонтальные углы и определять широты и долготы звезд на небе и вычислять продолжительность дня и ночи.
Следующий пункт нашего путешествия в мира аналоговых компьютеров — логарифмическая линейка. Она помогает выполнять ряд математических операций:
- умножать и делить числа,
- возводить в степень,
- вычислять квадратные и кубические корни,
- вычислять логарифмы,
- вычислять тригонометрических и гиперболических функций.
Это был главный инструмент расчетов для инженеров, пока не появились карманные калькуляторы — то есть вплоть до середины XX века и даже позже они использовались.
А создал логарифмическую линейку в 1622 году английский математик-любитель Уильям Отред.
В 1623 году Вильгельм Шиккард разработал считающие часы. Это был один из первых арифмометров, хотя неизвестно, был ли он построен при жизни ученого.
Устройство работало с шестиразрядными числами. Механизм был основан на использовании звездочек и шестеренок.
Его использовал друг Шиккарда — философ и астроном Иоганн Кеплер, но два экземпляра машины, которые у него были, сгорели в пожаре.
В 1642 году французский ученый Блез Паскаль изобрел арифметическую машину. Она помогала суммировать данные.
На момент создания машины, получившей название «Паскалина», автору было всего 19 лет. Идея пришла во время наблюдения за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчеты.
Для сложения нужно было поворачивать колесики, а результат отображался в верхней части фронтальной панели.
Еще одним ученым, который разработал машину для вычислений, был Вильгельм Лейбниц. На мысль о создании устройства его натолкнуло огромное количество вычислений, которое необходимо делать астроному: «Поскольку это недостойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машины».
В 1674 году английский шпион и изобретатель Сэмюэль Морленд создал карманный механический калькулятор для денег. Данные в машину Морленда вводились с помощью наборных дисков. Чтобы изменить данные, нужно было вставить штифт напротив нужной цифры и повернуть диск. Значение отобразится в окошке в верхней части диска.
«Если джентльмены или иные лица, особенно леди, не имевшие ранее времени упражняться в цифрах, пожелают разобраться в своих оплатах или расходах, они смогут получить от мистера Хэмфри Адамсона, проживающего около Турнстайла в Хоулборне, ни с чем не сравнимые инструменты, которые покажут им, как выполнить сложение и вычитание фунтов, шиллингов, пенсов и целых чисел без пера, чернил и затрат памяти; эти инструменты являются изобретением достойнейшего человека, украшения своей страны, сэра Сэмюэла Морленда, баронета».
XIX век
В 1814 году появился планиметр для нахождения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости, а в 1878 — интеграф для построения и автоматического вычерчивания интегральной кривой по заданному дифференциальному уравнению и получения результата интегрирования в форме графика.
Чарльз Бэббидж в 1822 году построил модель разностной машины. Она состояла из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. На свои работы ученый получил финансирование от правительства Великобритании суммарно на 17 000 фунтов стерлингов.
В ходе работы над проектом Бэббидж сформулировал идею создания универсальной вычислительной машины — аналитической. Она стала прообразом современного цифрового компьютера.
Можно заметить, что аналоговые вычислительные машины были узкоспециализированными и выполняли конкретные задачи. В числе задач было прогнозирование приливов. Среди таких машин было созданное Уильямом Томсоном в конце XIX века устройство.
Удивительно, что такие машины позволяли выдавать прогнозы на год вперед — и они в итоге подтверждались.
XX век аналоговых компьютеров
Созданная в 1903 году российским инженером-кораблестроителем Алексеем Крыловым вычислительная машина применялась как для интегрирования нелинейных уравнений, так и для численного решения алгебраических уравнений. На практике ее применяли при проектировании кораблей.
Академик Б. Б. Голицын в 1916 году писал: «Особой оригинальностью и остроумием отличается его прибор для интегрирования дифференциальных уравнений, в котором, при помощи особых шаблонов, характеризующих виды уравнения, ему удается чисто механическим путем находить интеграл заданного дифференциального уравнения».
Представьте, сколько нужно произвести вычислений, чтобы рассчитать траекторию стрельбы корабельного орудия. Чтобы упростить эту задачу, в 1930 году американский изобретатель Ванневар Буш создал дифференциальный анализатор. Всего через 12 лет была создана ее электромеханическая версия.
Для настройки машины оператор должен был вручную подбирать множество шестереночных передач — это занимало до трех дней.
В 1935 году в СССР начинают производить табулятор САМ Т-1, который позволял суммировать данные и печатать итог. Позже серия была продолжена, табуляторы получили новые функции. И вплоть до 1980-х, когда уже персональные компьютеры получили распространение, профессия «оператор МСС» продолжала существовать.
Табуляторы существовали с XIX века. Герман Холерит, который стоял у истоков IBM, изобрел табулирующую систему. Машина на перфокартах помогла ускорить осуществление переписи населения в США — результаты в 1890 году удалось подсчитать всего за 1 год вместо 8 лет в 1880-м.
Открытая Холеритом в 1896 году компания Tabulating Machine Company для переписи в России 1897-го года предоставила 35 использованных ранее машин в аренду и продала 70 табуляторов с сортировальными машинами и 500 перфораторов.
Рабочим телом в аналоговой вычислительной машине может быть вода. В 1936 году советский ученый Владимир Лукьянов создал гидравлический интегратор. Он представлял собой систему трубок с водой, позволяющую решать дифференциальные уравнения с частными производными. Действие аппарата основано на протекании воды.
В 1955 году серийно начали выпускать «ИГЛ» — интегратор гидравлический системы Лукьянова. Их экспортировали в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай.
С помощью гидроинтеграторов проводили расчеты проектов Каракумского канала в 1940-е годы, строительства БАМа в 1970-х годах, также эту аналоговую вычислительную машину использовали в геологии, шахтостроении, металлургии, ракетостроении и других областях.
Еще один интересный пример вычислительной машины с водой — MONIAC. 80 лет назад он служил симулятором экономики.
Емкости в этой машине — это банки, расходы потребителей, сбережения граждан, налоги и другие экономические параметры. Например, если емкость со сбережениями переполнена, то можно расширить соответствующий клапан и имитировать падение цен на акции — поощряя инвестиции.
Есть ли будущее у аналоговых компьютеров?
Работа над аналоговыми компьютерами продолжается. В 2023 году ученые из Австралии представили устройство в котором вычисления происходят в емкости, заполненной водой. Роль входного контура выполняла помпа. Выяснилось, что такая платформа может запоминать и упорядоченные, и случайные входные данные, при этом иногда даже лучше, чем цифровые компьютеры. Ученые намерены сделать процессор, который будет работать на принципе сталкивания волн в резервуаре, но при этом на микроуровне.
Такие устройства могут использоваться для расчетов в климатологии, социологии и биржевом секторе — там, где прогнозирование носит вероятностный характер.
«Будущее у аналоговых компьютеров есть. Они очень пригодились бы на разных нишевых рынках: для имитации работы мозга в сфере ИИ и на предприятиях, которые решают задачи со снижением энергопотребления. Аналоговый компьютер более энергоэффективен, чем цифровые компьютеры. К тому же, дает более быстрый отклик на любую команду за счет того, что у него простая архитектура. Аналоговые компьютеры не станут массовыми, но их роль возрастет в специализированных сферах: ИИ, робототехника и нишах, где важна скорость отклика и энергосбережение».
Мурад Мирзоев, директор по развитию ИТ-вендора «Инферит»
А можно использовать и бактерии. Например, в 2008 году компьютер из генетически модифицированной кишечной палочки решил задачу по сортировке блинов.
Суть задачи: есть стопка блинов разного размера, одна сторона у них горелая, другая — золотистая; нужно перевернуть все блины золотистой стороной вверх, при этом разрешается переворачивать только один или несколько соседних блинов; сделать это нужно за минимальное количество ходов.
Аналогом блинов здесь послужили сегменты плазмидной ДНК, а переворачивала блины их рекомбиназа Hin/Hix, позаимствованная у Salmonella typhimurium. Если сегменты выстраиваются в нужном порядке, бактерия Escherichia coli приобретает устойчивость к антибиотикам.
И это далеко не единственный пример использования живых микроорганизмов для каких-либо вычислений.
В 2023 году стало известно, что в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского работают над искусственным гиппокампом на основе мемристоров.
Мемристор — это пассивный электрический элемент, который изменяет сопротивление в зависимости от протекшего через него электрического заряда. Здесь эти аналоговые устройства выполняют роль нейронов.
Ученые считают, что подобные устройства смогут применяться в будущем, в том числе для работы ИИ, или же с их помощью можно будет заменять участки головного мозга.
Таким образом, над аналоговыми компьютерами продолжают работать, несмотря на развитие цифровых технологий. В некоторых случаях для узкоспециализированных задач именно АВМ способны показать лучшие результаты. А если говорить о биокомпьютерах, то они в будущем способны изменить и самого человека.