Die Geschichte der mechanischen Computer ist faszinierend und reicht bis nach Stonehenge und einer Reihe von alten Strukturen zurück, die möglicherweise gebaut wurden, um einen Kalender, Tierkreis oder eine beliebige Anzahl wichtiger Ereignisse zu berechnen.
Dann gibt es das Antikythera-Gerät aus dem 2. Jahrhundert v. Chr., ein handbetriebener, mechanischer Computer, der astronomische Phänomene wie Mondfinsternisse und sogar einen Countdown bis zu den nächsten Olympischen Spielen in Athen berechnen konnte.
Das ist alles schön und gut, aber darüber kann nicht gesprochen werdenmechanische Computerohne zu einem der fantastischsten „Was-wäre-wenn?“-Momente im 19.
Subrata Dasgupta, im BuchIt Begans with Babbage: The Genesis of Computer Science schrieb:
Die Analytical Engine hat einen verblüffenden Platz in der Geschichte der Computertechnik. Soweit wir wissen, wurde noch nie zuvor eine Maschine nach diesen Richtlinien konzipiert. Bemerkenswerter ist, dass einige ihrer wichtigsten Konstruktionsprinzipien ein Jahrhundert später tatsächlich neu erfunden wurdenvon Leuten, die anscheinend nichts davon wussten. Wenn Nachahmung die aufrichtigste Form der Schmeichelei ist, dann ist es auch eine Neuerfindung oder Wiederentdeckung, zumindest wenn sie aus Unwissenheit geboren wurde. Es sagt uns viel darüber aus, wie weit der ursprüngliche Erfinder seiner Zeit voraus war.
Was genau ist die Analytical Engine? Wie hat sie funktioniert? Und warum wurde sie nie gebaut?
The Difference Engine: Sprungbrett ins Computerzeitalter – wenn Sie es bauen können
Charles Babbage ist einer der größten Erfinder des 19. Jahrhunderts, obwohl seine berühmteste Erfindung – die Analytical Engine –muss noch gebaut werden.
Um es klar zu sagen, Babbage begann nicht mit einem Plan zum Bau eines vollständig programmierbaren mechanischen Computers. Stattdessen begann er, Polynomfunktionen mit der sogenannten Finite-Differenzen-Methode zu berechnen und zu tabellieren.
Diese Methode reduziert Multiplikation und Division auf arithmetische Additionsoperationen, wodurch sie wesentlich einfacher auf einem mechanischen Taschenrechner implementiert werden können. Babbage begann mit der Entwicklung dessen, was er als bezeichnen würde.Differenz-Engine um diese Berechnungen schnell durchzuführen und nützliche Tabellen als Ausgabe zu erstellen.
Da trigonometrische und logarithmische Funktionen leicht mit Polynomen approximiert werden können, wären die Tabellen, die die Differenzmaschine erzeugt hätte, für Ingenieurwesen, Wissenschaft und verwandte Arbeiten sehr wertvoll.
Die britische Regierung gab ein Vermögen für Mathematiker aus, um diese Art von Tabellen für die Regierungsverwaltung oder andere Zwecke von Hand zu berechnen, daher war die Regierung sehr daran interessiert, auf wirtschaftliche Weise dieselben Ergebnisse zu erzielen.
"Die Mechanisierung der Erstellung mathematischer Tabellen würde nicht nur die geistige Arbeit des Menschen für andere weniger mühsame Aufgaben freisetzen", schrieb Dasgupta, "sondern auch den Prozess beschleunigen und die menschliche Fehlbarkeit beseitigen und durch maschinelle Unfehlbarkeit ersetzen."
Als Babbage 1822 das Design seiner ersten Difference Engine Nr. 0 veröffentlichte und einen Proof-of-Concept-Prototyp produzierte, erregte es sofort das Interesse der britischen Regierung, die Babbage zwischen 1.500 und 1.700 Pfund gabeinen funktionierenden Motor zu entwickeln – das moderne Äquivalent von etwa 210.000 £.
Babbage hatte jedoch schon sehr früh Probleme. Ein Teil des Problems daran, seiner eigenen Zeit weit voraus zu sein, besteht darin, dass man seiner eigenen Zeit technologisch weit voraus ist. Die Difference Engine erforderte ein Maß an Maschinenpräzision, das einfach warnicht ohne weiteres verfügbar.
Die Komplexität der ineinandergreifenden Zahnräder, des Druckmechanismus, all das würde sich als weitaus kostspieliger in der Herstellung herausstellen, als irgendjemand dachte, am allerwenigsten Babbage.
Die britische Regierung investierte fast ein Jahrzehnt lang weiter in das Projekt und gab rund 20.000 Pfund das entspricht heute etwa 2.350.000 Pfund für Babbages Motor aus, aber bis 1832 war alles, was Babbage tatsächlich produzieren konnte, ein Siebtel der BerechnungAbschnitt von Difference Engine No. 1, und das musste von seinem ursprünglichen Design, mit 20-stelligen Zahlen und Differenzen sechster Ordnung zu arbeiten, auf nur sechs Ziffern und Differenzen zweiter Ordnung zurückgeführt werden.
Und obwohl diese Engine funktionierte, wie sie sollte, konnte sie noch nicht die Berechnungstabellen erstellen, an denen die britische Regierung letztendlich interessiert war. Sie stellte die Finanzierung des Projekts im Jahr 1833 ein, bevor sie schließlich jede Beteiligung am Projekt über aJahrzehnt später.
Bis dahin hatte Babbage jedoch etwas anderes im Sinn als nur Polynome berechnen, er wollte eine Allzweckmaschine bauen, die alles berechnen kann, was berechenbar ist, und er widmete den Rest seines Lebens der Entwicklung eines solchen Motors.
Imagining the Analytical Engine
Wenn wir über die Analytical Engine sprechen, müssen wir natürlich über das Konzept, die Pläne dafür oder die Bemühungen von jemand anderem sprechen, sie tatsächlich zu bauen, da Babbage selbst sie zum Zeitpunkt seines Todes nie fertiggestellt sehen würde1871.
Aber noch als Babbage versuchte, einen funktionierenden Prototyp der Difference Engine für die britische Regierung zu produzieren, hatte er sich bereits für etwas viel Größeres entschieden und fand sogar Inspiration in der Kritik, dass die Differenz-Engine war zu klein.
Luigi Frederico Menabrea, ein italienischer Militärmathematiker, der später Ministerpräsident von Italien wurde, kritisierte, dass die Difference Engine auf ein einziges Problem oder Anwendungsfall beschränkt sei, nämlich das Berechnen und Tabellieren von Polynomfunktionen.
Es ist großartig, wenn man Polynomfunktionen berechnen müsste, argumentierte Menabrea, aber was, wenn man es für etwas anderes brauchte? Babbages teure Maschine war in jedem anderen Fall nutzlos.
Menabreas Kritik half Babbage, größer zu denken und eine Maschine zu konzipieren, die jede analytische Funktion berechnen konnte, die in mathematischer Notation ausgedrückt werden konnte.
Er erweiterte die Dutzende von nummerierten Rädern, die durch ineinandergreifende Zahnräder verbunden waren, erheblich und stellte sich eine Maschine vor, die Analytical Engine, die Hunderte von Spalten nummerierter Räder und Zahnräder aufweisen würde, die Zahlen mit einer Länge von 40 Stellen darstellen können.
Im Gegensatz zu seiner Difference Engine, die in einigen Iterationen des Designs von Hand durch eine Kurbel angetrieben werden könnte, wäre dies für die Hunderte von ineinandergreifenden Säulen von Rädern und Zahnrädern unmöglich.
Die Analytical Engine müsste ähnlich wie eine Lokomotive mit Dampf betrieben werden.
Sie müsste auch so groß wie eine Lokomotive sein, um alle ihre nummerierten Säulen und die dazugehörige Maschinerie zu enthalten. Wenn sie gebaut würde, wäre die Analytical Engine so groß wie jeder der frühesten elektronischen Computerwie die ENIACobwohl es nicht annähernd so schnell gewesen wäre.
Die "Taktgeschwindigkeit" der Analytical Engine oder die Anzahl der Anweisungen pro Sekunde, die sie ausführen könnte, ist nicht bekannt, da keine vollständige Dokumentation verfügbar ist, aber es wird geschätzt, dass sie höchstens bei 10 bis 20 Hz liegt.
Zum Vergleich hatte ENIAC eine Taktfrequenz von etwa 5.000 Hz. Aber es hatte auch kein echter interner Speicher. Es hatte 20 Akkumulatoren, die jeweils eine 10-stellige Dezimalzahl mit Vorzeichen aufnehmen konnten, aber das war es.
Sie hatte nicht einmal Cache-Speicher, geschweige denn RAM. Die Analytical Engine hätte derweil einen Arbeitsspeicher von rund 16,6KB gehabt, also deutlich mehr als die ENIAC.
Es gibt noch einen weiteren wichtigen Vergleich mit der ENIAC, nämlich die Art der Eingabe: Lochkarten.
Inspiriert von der jüngsten Erfindung des Jacquard-Webstuhls, bei dem Lochkarten verwendet wurden, um ein Muster zu "programmieren", das automatisch in ein Textil eingewebt wurde, sah Babbage dasdiese gleichen Lochkarten könnte verwendet werden, um mathematische Schreibweisen und Variablen auszudrücken, und sogar Anweisungen zur Durchführung einer Berechnung.
Mit einem Lochkartensystem wäre die Analytical Engine von Babbage in der Lage, eine Vielzahl mathematischer Berechnungen durchzuführen, sofern diese auf arithmetischen Operationen basieren.
Bei der Entwicklung der Analytical Engine erfand Babbage Konzepte, die ein Jahrhundert später in Form der "Computerarchitektur" neu erfunden wurden, dem Design des Informationsflusses vom Speicher zu einer Verarbeitungseinheit und der Ausgabe der Ergebnisse an ein Druckgerät oderzurück ins Gedächtnis.
Babbage nannte die Verarbeitungseinheit seines Motors die Mühle und das mechanische Gedächtnis den Laden – eine offensichtliche Analogie zu die Textilfabriken, die in ganz England auftauchen während der industriellen Revolution.
So wie eine Textilfabrik gesponnenes Garn aus einem nahegelegenen Geschäft oder Lagerhaus holt, aus diesem Garn ein Textilgewebe in der Fabrik herstellt und dann das fertige Produkt in dasselbe Lager zurückbringt, so würde auch die Analytical Engine nur ihreGarn wären Zahlen und sein textiles Gewebe Berechnungen.
Von dort könnten diese Ergebnisse immer wieder für verschiedene Berechnungen verwendet, als Tabellen ausgedruckt oder sogar für die spätere Verwendung gespeichert werden, indem neue Karten gestanzt werden, die den Inhalt des Speichers der Engine enthielten.
Die Innovation, die arithmetische Verarbeitungseinheit von dem Speicher zu trennen, der die zu bearbeitenden Werte und sogar die Anweisungen für diese Operationen enthält, war ein konzeptioneller Sprung, der seiner Zeit fast ein Jahrhundert voraus war.
Es war nicht bisJohn von Neumann erfand die gespeicherte Programmarchitektur, die in modernen Computern verwendet wird, sodass man sich so etwas sogar vorstellen kann.
Die Innovationen hörten hier nicht auf.
Babbage baute auf der Idee des Lochkartensystems von Jacquard auf und stellte sich eine Maschine vor, bei der verschiedene Steuerkarten verwendet werden könnten, um kompliziertere Operationen zu programmieren, einschließlich Schleifen durch Anweisungen und sogar bedingter Verzweigung, sodass unterschiedliche Anweisungen basierend auf unterschiedlichen Eingabewerten ausgeführt würden.
Als berühmte "Zaubererin der Zahlen", Ada Lovelace, geschrieben 1842:
Wir können am treffendsten sagen, dass die Analytical Engine webt algebraische Muster so wie der Jacquard-Webstuhl Blumen und Blätter webt. Hier scheint uns viel mehr Originalität zu verdanken, als die Difference Engine mit Recht behaupten kann ... Wir glauben, dass dies der einzige Vorschlag oder Versuch ist, der jemals gemacht wurdeeine Rechenmaschine bauenbasierend auf dem Prinzip der aufeinanderfolgenden Ordnungen von Differenzen und in der Lage druckt seine eigenen Ergebnisse aus; und dass diese Maschine ihre Vorgänger übertrifft, sowohl im Umfang der Berechnungen, die sie durchführen kann, in der Leichtigkeit, Sicherheit und Genauigkeit, mit der sie sie beeinflussen kann, als auch in der Abwesenheit jeglicher Notwendigkeit für menschliches EingreifenIntelligenzwährend der Durchführung seiner Berechnungen.
Um ihren Standpunkt zu verdeutlichen, schrieb die wahnsinnig brillante Mathematikerin ein einfaches Programm für die Analytical Engine, das eine Reihe von berechnet.Bernoulli-Zahlen, was ihr die Auszeichnung als weltweit erste Computerprogrammiererin einbrachte.
Lovelace genießt diese Auszeichnung aufgrund des wesentlichen definierenden Merkmals der Analytical Engine, das es zu einem solchen Bruch mit den mechanischen Rechnern der Vergangenheit macht: Die Analytical Engine wäre, wenn sie jemals gebaut würde, Turing-vollständig.
1936, Alan Turing veröffentlicht "Über berechenbare Zahlen", ein revolutionäres Werk, das die konzeptionelle Grundlage des modernen Computing legte.
Im Wesentlichen kann jede Maschine, die eine Reihe von Anweisungen einlesen und sich basierend auf den in diesen Anweisungen festgelegten Regeln verhält und Daten manipulieren kann, jeden berechenbaren Algorithmus oder jedes Programm ausführen.
Das hört sich nach einem Bissen an, aber alles vom Generieren einer Folge von Bernoulli-Zahlenzum Cloud-Computing ist das Produkt von Algorithmen, die Werte berechnen, die in Binärzahlen dargestellt werden.
Im Wesentlichen könnte eine Analytical Engine, die groß genug ist, theoretisch, Führe Doom wenn auch ohne Grafik, und es ist die erste Maschine, die jemals entwickelt wurdedas kann eine solche Behauptung aufstellen.
Auswirkung und Einfluss der analytischen Engine
Was auch immer seine Kritik an der Difference Engine war, Menabrea sah, dass die Analytical Engine nicht nur brillant war, sondern dass sie eine ganz andere Art von Maschine war als ein einfacher mechanischer Rechner:
Das Vertrauen, das das Genie von Mr. Babbage einflößen muss, gibt berechtigten Grund zur Hoffnung, dass dieses Unternehmen von Erfolg gekrönt sein wird; und während wir der Intelligenz, die es leitet, Ehrerbietung erweisen, lasst uns Hoffnungen auf die Verwirklichung eines solchenUnternehmen.
Wenn sich die Difference Engine als zu teuer herausstellte, war die Analytical Engine leider ein monumental teureres Angebot.
Babbage arbeitete ab 1833 mehr als ein Jahrzehnt an der Analytical Engine, bevor er sich Ende der 1840er Jahre einer verbesserten Version der Difference Engine Nr. 2 zuwandte.
Er kehrte jedoch in den 1850er Jahren zum Analytical Engine zurück und arbeitete daran bis zu seinem Tod im Jahr 1871 weiter. Nur kleine Teile des Motors wurden tatsächlich gebaut, aber Babbage hinterließ uns eine bemerkenswerte Aufzeichnung, die wir auf dieser revolutionären Maschine untersuchen konnten, wie der Informatiker und Autor Subrata Dasgupta bemerkt :
[D]während der ersten 16 Jahre 1833-1849, die er dem Projekt widmete und dann noch einmal während der späteren Zeit 1856 bis zu seinem Tod war er ständig dabei, Ideen zu entwickeln, zu denken, zu verfeinern, auszuarbeiten, zu konzeptualisieren, besessen Wo ist etwas ganz ergreifendes in unserer Vorstellung von diesem Mann, der in völliger Isolation arbeitet, von einer Idee besessen, der archetypische einsame Erfinder, der einsame Wissenschaftler der romantischen Überlieferung, der Zeichnung um Zeichnung zu Hunderten hervorbringt, Notiz nach?Beachten Sie, dass sie zu Tausenden neue Ideen entwickeln, neue Mechanismen entwerfen, für eine Maschine, von der er sicher wusste, dass sie zu seinen Lebzeiten nie gebaut werden würde.
Es gab in letzter Zeit einige Versuche, die Analytical Engine zu konstruieren, aber keine hat tatsächlich eine wirklich funktionierende Maschine hervorgebracht, obwohl Babbages Pläne noch da sind und jetzt digitalisiert wurden.
Trotz all dem scheint der Bau der Analytical Engine im Jahr 2021 zu teuer zu sein, um zu diesem Zeitpunkt ausreichende Finanzierung zu gewährleisten. Sie können sich vorstellen, wie schwer es für Charles Babbage im Jahr 1834 gewesen wäre, das Geld für den Bau seiner Maschine zu finden.dann.
Aber was wäre wenn? Was wäre, wenn Babbage die Mittel hätte, um seinen dampfbetriebenen mechanischen Computer ein Jahrhundert vor ENIAC zu bauen? Wie würde die Welt heute aussehen, wenn er sie hätte?
All die Spekulationen zu diesen Fragen tragen wesentlich dazu bei, zu erklären, warum uns die Analytical Engine von Charles Babbage heute so fasziniert und warum so viele Leute sie gebaut sehen wollen, wenn auch nur um zu sehen, ob es funktioniert hätte.