Ludzkie pragnienie ułatwienia sobie obliczeń zaczęło się od prostych kamyków przesuwanych w rowkach, a doprowadziło do maszyn, które potrafiły liczyć szybciej niż człowiek mógł pomyśleć. Od abakusa po karty dziurkowane kryją się początki cyfrowej rewolucji, która odmieniła nie tylko naukę, ale i codzienne życie. Za każdą z tych maszyn stoi historia błyskotliwej pomysłowości, odważnych eksperymentów i pasji, która krok po kroku prowadziła świat ku komputerom.
Historia informatyki to opowieść o błyskawicznym postępie, który w ciągu zaledwie kilku dekad zmienił świat. Jednak droga od starożytnego abakusa do dzisiejszych superkomputerów była długa i pełna przełomowych wynalazków. Przeczytaj fragment książki „Informatyka. Krótka historia” profesora Ryszarda Tadeusiewicza. Pozycja od Wydawnictwa RM zabiera nas w podróż do samych początków, by odkryć, jak wyglądały pierwsze próby wspomagania ludzkiego umysłu w skomplikowanych obliczeniach.
Pierwsze maszyny liczące
Ludzie zawsze, od początku istnienia cywilizacji, musieli wykonywać różne obliczenia. A ponieważ obliczenia przeprowadzane w pamięci nie były łatwe, wymyślano coraz to nowe sposoby wspomagania tej kłopotliwej czynności. Prawdopodobnie najstarszą „maszyną matematyczną” było chińskie liczydło nazywane abakus lub suan-pan. Liczenie za pomocą tego urządzenia polegało na wkładaniu i przekładaniu kamyków w rowkach.
Potwierdzono używanie tej „maszyny” w Chinach już w XXV wieku przed naszą erą! Odmiana japońska tego liczydła o nazwie soroban bywa używana do dzisiaj, bo wprawny rachmistrz liczy na sorobanie szybciej niż na elektronicznym kalkulatorze! Dlatego w sklepach japońskich można zobaczyć dość osobliwe narzędzie liczące, będące połączeniem w jednej obudowie najnowszego elektronicznego kalkulatora i liczącego 4000 lat liczydła. Sam widziałem, jak sprzedawca najnowszych komputerów (!) użył sorobanu, żeby ustalić (błyskawicznie i bezbłędnie!), ile mam zapłacić za podzespoły elektroniczne.
Moda na liczydła utrzymywała się także długo u naszych wschodnich sąsiadów. Często spotykałem się bowiem z liczydłami w sklepach byłego Związku Radzieckiego i zawsze zdumiewała mnie sprawność podliczających rachunki sprzedawców. Robili to naprawdę szybciej niż dysponujący elektronicznymi kasami sprzedawcy we współczesnych supermarketach!
Urządzenia podobne do abakusa z powodzeniem stosowano w obsłudze obliczeniowej handlu także w starożytnej Grecji i w Rzymie, gdzie używano nazwy mensa pythagoreana (stół pitagorejski). Był to solidny przyrząd wykonany z brązu, który pozwalał także prowadzić obliczenia na ułamkach. Nazwa pochodziła od znanej w starożytności szkoły filozofów i matematyków wywodzących swoją tradycję od sławnego Pitagorasa. Grecy i Rzymianie sądzili, że właśnie ten mędrzec, który wniósł bardzo wiele do matematyki (któż nie zna twierdzenia Pitagorasa?), wymyślił też abakus – ale byli w błędzie. To pomysłowe urządzenie bez wątpienia wywodzi się bowiem z Dalekiego Wschodu!
Na typowych liczydłach można bardzo sprawnie wykonywać działania dodawania i odejmowania, ale mnożenie i dzielenie – chociaż także możliwe – jest bardziej uciążliwe. Dlatego prawdziwą rewolucją w dziedzinie urządzeń liczących stały się tak zwane pałeczki Napiera. Było to pomysłowe urządzenie wynalezione przez Johna Napiera w 1617 roku i chętnie używane przez mniej więcej 200 lat. Odpowiednio wybrane i ułożone pałeczki pozwalały niemal natychmiast odczytać iloczyn nawet bardzo dużych liczb.
Operacje mnożenia i dzielenia przyspieszał też niezwykle prosty przyrząd zwany suwakiem logarytmicznym. Opierając się na własnościach przekształcenia logarytmicznego (odkrytego przez wspomnianego wyżej Johna Napiera), suwak pozwalał bardzo sprawnie mnożyć i dzielić liczby ustawiane odpowiednio na jego obudowie oraz na przesuwnej centralnej linijce. Rozwiązanie zadania uzyskiwało się przy użyciu przesuwanego przezroczystego okienka z naniesioną kreską, wskazującą wynik. Wynalazek suwaka (1633) przypisuje się Williamowi Oughtredowi, chociaż podobne urządzenie pod nazwą „linijka logarytmiczna” wymyślił wcześniej Edmund Gunter.
Dodajmy, że suwak był w XX wieku niezbędnym wyposażeniem inżyniera. Ja sam podczas studiów na wydziale elektrycznym AGH nie rozstawałem się z suwakiem i potrafiłem na nim bardzo szybko liczyć. Na ćwiczeniach z elektrotechniki modne były „zawody” polegające na tym, że asystent podawał kilka wartości prądów i napięć w skomplikowanym układzie elektrycznym, wskazywał miejsce, w którym trzeba było ustalić nieznane napięcie lub prąd – po czym uruchamiał stoper. Wygrywał ten, kto pierwszy podał prawidłowy wynik. Suwaki w rękach studentów „rozgrzewały się do czerwoności”! Nie ukrywam, że odnosiłem sukcesy, co mnie bardzo cieszyło!
Obliczenia prowadzone za pomocą abakusa, suwaka i innych liczydeł nie wymagały mechanicznego wspomagania. Natomiast rozwój mechaniki w XVII wieku, a zwłaszcza stałe doskonalenie dzieł zegarmistrzów, zachęcały do tego, żeby obliczenia zmechanizować.
Prób budowy mechanicznych kalkulatorów było sporo, ale największy rozgłos zyskała pascalina – maszyna licząca, zbudowana przez francuskiego matematyka Blaise’a Pascala, który chciał ułatwić pracę ojcu – poborcy podatkowemu. Pierwsze próby budowy maszyny liczącej Pascal podjął już w 1642 roku, a pierwsza wersja pascaliny powstała około 1645 roku. Maszyna wykonywała mechanicznie tylko działania dodawania i odejmowania, ale robiła to bezbłędnie. Pierwszym użytkownikiem tego mechanicznego arytmometru był oczywiście ojciec Blaise’a Pascala.
Maszyna się spodobała i – jak podają kroniki – do 1652 roku wybudowano i sprzedano 50 egzemplarzy. Dzięki budowie tego udanego mechanicznego kalkulatora Pascal wszedł także do historii informatyki, chociaż bardziej znany jest jako filozof i matematyk. Na jego cześć jeden z ważnych języków programowania (opracowany przez Niklausa Wirtha w 1970 roku) został nazwany Pascal.
Mechaniczne maszyny liczące budowali także inni pomysłowi konstruktorzy, między innymi Niemcy Wilhelm Schickard i Gottfried Wilhelm Leibniz oraz Francuz Charles Xavier Thomas de Colmar. Jest w tym panteonie twórców najwcześniejszych maszyn liczących miejsce także dla Polaka, a dokładniej – polskiego Żyda. Nazywał się Abraham Jakub Stern i pochodził z Hrubieszowa.
Początkowo był niepiśmiennym pomocnikiem zegarmistrza, ale wypatrzył go i dostrzegł w nim znamiona geniuszu Stanisław Staszic. Pod wpływem i opieką Staszica Stern przeniósł się do Warszawy i tam najpierw uzupełnił wykształcenie, a potem za pieniądze Staszica tworzył i doskonalił swoje wynalazki.
Pierwsze maszyny liczące zbudował w 1810 roku, a więc długo po Pascalu i innych wymienionych wyżej wynalazcach, ale za to były to kalkulatory wykonujące wszystkie cztery podstawowe działania. Potem zbudował maszynę, która wyciągała pierwiastki kwadratowe, a na koniec zademonstrował na posiedzeniu Towarzystwa Przyjaciół Nauk maszynę, która wykonywała wszystkie pięć działań. Znana jest dokładna data tego pokazu: 30 kwietnia 1817 roku.
Do masowej produkcji weszły arytmometry mechaniczne skonstruowane i opatentowane przez Willgodta Odhnera w 1874 roku. Miały one wyjątkowo długie życie. Jeszcze sto lat po ich wynalezieniu były powszechnie stosowane, zwłaszcza przez księgowych i geodetów. Ponieważ obliczenia wykonywane przy użyciu tych arytmometrów wymagały intensywnego kręcenia korbą napędzającą mechanizm – nazywano je kręciołkami.
Osobny rozdział w historii rozwoju mechanicznych urządzeń liczących otworzył Amerykanin Herman Hollerith. Około 1890 roku wykorzystał on karty dziurkowane do zapisu określonych informacji, na przykład odpowiedzi na pytania jakiejś ankiety. Jeśli pytany odpowiedział na pytanie twierdząco, to w odpowiednim miejscu karty wycinano dziurkę.
Brak dziurki oznaczał odpowiedź przeczącą. Mając tak zapisane odpowiedzi z wielu ankiet (każdy respondent na osobnej karcie), można było łatwo mechanicznie zliczać liczbę odpowiedzi twierdzących i przeczących, a także różnych ich kombinacji („na pierwsze pytanie odpowiedział TAK, a na siódme NIE…”), co bardzo ułatwiało mechanizację prac związanych z różnego rodzaju spisami, badaniami ankietowymi oraz wyborami.
Potem nauczono się także zapisywać na kartach dziurkowanych liczby. Po prostu na karcie wyznaczano kolumny, a w każdej kolumnie było 10 wierszy – od 0 do 9. Wycięcie dziurki w odpowiedniej kolumnie i w odpowiednim wierszu oznaczało zapisanie odpowiedniej cyfry, a zbiór cyfr z wielu kolumn formował wielocyfrowe liczby, na których wykonywano określone działania matematyczne (głównie statystyczne). Dzięki dobijaniu dodatkowych dziurek na górnym marginesie karty udawało się zapisywać na niej także teksty, był to więc nośnik informacji w pełni alfanumeryczny.
Na pomysł użycia kart dziurkowanych jako nośnika informacji wpadł już jednak wcześniej (w 1805 roku) Joseph Marie Jacquard, który sterował pracą krosna tkającego wielobarwne tkaniny – ich wzór zapisywany był właśnie na kartach dziurkowanych. Kart dziurkowanych użył także Charles Babbage w swojej maszynie analitycznej – ale o tym będzie mowa w rozdziale 2. Natomiast pomysł Holleritha, żeby na kartach zapisywać dane, na których potem mechanicznie można prowadzić obliczenia, był w swoim czasie rewolucyjny. Maszyny wykorzystujące dane zapisane na tych kartach potrafiły wykonywać obliczenia statystyczne szybko i dokładnie, praktycznie bez angażowania ludzi.
Pierwszą taką maszynę zbudował Hollerith w 1887 roku i zastosował ją do stworzenia statystyki umieralności ludzi w USA. Maszyna wykonała zadanie w ciągu kilku dni, podczas gdy zespół rachmistrzów potrzebowałby do wykonania tych samych obliczeń co najmniej trzech tygodni. Uradowany sukcesem Hollerith opatentował wzór używanej karty dziurkowanej. Nastąpiło to 8 czerwca 1887 roku.
Można powiedzieć, że zdążył idealnie na czas, bo właśnie wtedy rząd USA ogłosił konkurs, którego przedmiotem miało być opracowanie statystyczne wyników spisu powszechnego w USA zaplanowanego na 1890 rok.
Warto tu wyjaśnić, że rząd USA działał w desperacji. Zbliżał się kolejny spis powszechny, a mimo zaangażowania całej armii rachmistrzów – nieprzetworzone były wciąż jeszcze dane ze spisu wykonanego w 1880 roku. Wyglądało na to, że cała akcja spisowa nie ma sensu, skoro czas opracowania wyników spisu miał być dłuższy niż odstęp czasowy (10 lat) pomiędzy kolejnymi spisami!
Hollerith ze swoją techniką kart dziurkowanych wziął udział w konkursie, wygrał go i rzeczywiście opracował wszystkie dane ze spisu 1890 roku (znacznie liczniejsze i obszerniejsze od tych z 1880 roku) w czasie niecałych trzech lat. Była to sensacja. Maszynami Holleritha zainteresowali się statystycy z różnych krajów, a także bankowcy i kierownicy różnych biur.
Hollerith opatentował (w 1894 roku) maszynę licząco-analityczną, działającą na odkrytej przez niego zasadzie, a 3 grudnia 1896 roku założył firmę pod nazwą Tabulating Machine Company. Firma ta bardzo szybko się rozwijała i przynosiła duże zyski, sprzedawano setki maszyn i udzielano wielu licencji.
Maszyny licząco-analityczne nie były komputerami, więc nie dawało się ich programować. Stąd do wykonywania różnych czynności służyły różne oddzielne maszyny, a sterty kart ręcznie przenoszono z jednej maszyny do drugiej. Obejrzyjmy kilka z nich.
Początek procesu wiązał się z koniecznością wydziurkowania danych na kartach. Służyły do tego sporej wielkości dziurkarki.
Maszyny te musiały być duże, bo wybijanie dziurek w twardych kartonowych kartach wymagało znacznej siły. Dziurkowanie danych było bardzo mozolną pracą,
co wiem z własnego doświadczenia, bo w latach 70. spędziłem w sumie wiele godzin, własnoręcznie dziurkując karty potrzebne do moich badań naukowych.
Osoba dziurkująca karty nie miała bezpośredniej kontroli nad tym, czy dane są wydziurkowane poprawnie czy z błędami. Dlatego całą paczkę już wydziurkowanych kart wkładało się do sprawdzarki (wyglądającej identycznie jak dziurkarka) i ponownie wpisywało się ręcznie dane na klawiaturze, a maszyna równocześnie czytała dane z kolejnych kart – zatrzymując się z sygnałem błędu, gdy znalazła rozbieżność pomiędzy tym, co znajdowało się na karcie, a tym, co przy sprawdzaniu wprowadził z klawiatury użytkownik.
Intensywnie wykorzystywane karty niszczyły się, więc po jakimś czasie trzeba je było dziurkować na nowo. Na szczęście niekoniecznie ręcznie, bo istniały reproducery, które czytały stare karty i na tej podstawie dziurkowały ich nowe kopie.
Dane na kartach zwykle sortowano według jakichś reguł (np. oddzielano dane dotyczące mężczyzn od danych dotyczących kobiet albo dzielono dane dotyczące mieszkańców różnych miast). Do sortowania danych służył mechaniczny sorter, który zbierał w osobnych przegródkach karty z danymi wydzielanymi według zadanych kryteriów.
Podzielone w sorterze karty przenoszono potem do maszyn nazywanych tabulatorami, które drukowały tabele zawierające informacje znajdujące się na kartach, ale już w uporządkowanej formie, albo do kalkulatorów, które mogły obliczać różne statystyki na podstawie danych zawar tych na kartach. Budowano także kolatory, które mogły łączyć (według zadanych reguł) karty pochodzące z różnych plików w jeden wspólny plik.
Maszyny licząco-analityczne typu Holleritha miały długi żywot – gdy na początku lat 70., będąc pracownikiem AGH, zostałem poproszony o dodatkowe wykłady z informatyki dla studentów Akademii Ekonomicznej, to stwierdziłem, że laboratoria EPD (Elektronicznego Przetwarzania Danych) tej zacnej uczelni są wyposażone wyłącznie w nie, więc zabierałem moich studentów na wycieczki do AGH, gdzie mieliśmy już prawdziwe komputery.
Wracając do historii: 14 lutego 1911 roku firma Holleritha połączyła się z dwiema innymi firmami, tworząc pierwsze i przez dziesiątki lat największe przedsiębiorstwo informatyczne na świecie: koncern IBM (International Business Machines – nazwa nadana w 1924 roku). O firmie tej będzie jeszcze wielokrotnie mowa, gdyż wpisała się ona na trwałe w wiele ważnych nurtów historii informatyki. Natomiast w tym momencie odnotujemy tylko, że zaczynała działalność od budowy i sprzedaży maszyn licząco-analitycznych, działających według pomysłów Holleritha.
Wszystkie omówione wyżej maszyny liczące były bardzo pomysłowe, ale z punktu widzenia historii informatyki miały jedną wadę: nie pozwalały na programowanie obliczeń. Obliczenia wykonywano mechanicznie, jednak kolejność działań i ocena ich wyników musiały być prowadzone przez człowieka sterującego na bieżąco pracą maszyny. Dlatego słusznie za początek informatyki uważa się moment zbudowania pierwszej maszyny programowalnej – o czym będzie mowa w kolejnym rozdziale.
Tekst jest fragmentem książki Informatyka. Krótka historia profesora Ryszarda Tadeusiewicza od Wydawnictwa RM.
