Mehanski računalniki

Charles Babbage je eden tistih znanstvenikov in izumiteljev, ob katerih navadni ljudje le ravnodušno ugotavljajo, da je ločnica med genijem in norcem zelo tanka. Njegove zamisli so bile tako napredne, da se še danes zdijo neverjetne. A ta neverjetnost je terjala davek – v tedanjem času so bile praktično neuresničljive.

Charles Babbage

Babbage je bil sila zanimiv značaj. Njegov karierni vzpon je bil dokaj hiter. Doštudiral je na Cambridgeu, pri petindvajsetih pa je bil že izbran v Kraljevo (znanstveno) družbo. Kasneje je soustanovil še Kraljevo astronomsko družbo. Ukvarjal se je z marsičim, a večinoma ni v ničemer briljiral. Toda zaradi raznolikih zanimanj je v viktorijanski Angliji postal prava družabna zvezda – podobno današnjim rockovskim zvezdnikom, če izvzamemo seks in droge in rock'n'roll. Tudi njegovo zasebno življenje je bilo razburljivo. Že zelo kmalu se je poročil, in to v nasprotju z željami svojega premožnega očeta. Z ženo sta imela kar osem otrok, a so le trije preživeli otroštvo. Po očetovi smrti leta 1827 je nasledil 100.000 funtov, to bi bilo vredno dandanašnjih 12 milijonov evrov, in postal finančno neodvisen, a kaj, ko mu je kmalu zatem umrla tudi žena. Nadaljeval je v svojem tempu, razpet med trdim delom in živahnim družabnim življenjem, precej v nasprotju z uveljavljeno predstavo, da so resni znanstveniki malone menihi.

A vrnimo se k slovitejšim dosežkom. Anekdota pravi, da je kot mlad navdušenec za astronomijo pregledoval dvoje astronomskih tabel. V eni je našel kup napak in jih več ur ročno popravljal. Po utrudljivem opravilu je ugotovil, da bi bilo bolje, ko bi takšno zamudno, a matematično nezahtevno izračunavanje poganjala para (kot je v tistem času že statve in marsikatero drugo napravo). Napake v astronomskih tabelah so bile prek publikacij, kot je Navtični almanah, neposredno povezane z navigacijo, točnost plovbe pa je bila ključna za britansko prevlado na svetovnih morjih. Zato je Babbegeva zamisel o stroju, ki bi pohitril izračunavanje in bil predvsem nezmotljiv pri računanju, brž naletela na navdušen odziv tako kolegov znanstvenikov kot tudi države.

Babbage je za izračun polinomov efemerid načrtoval uporabo z dodajanjem razlik oziroma diferenc, od tod tudi ime za diferenčni stroj. Podobno načelo so pred njim že uporabili francoski matematiki – ti so kompleksnejše matematične izračune razdelili na več preprostejših, ki so jih lahko postorili manj vešči matematiki (v tistem času je beseda computer – računalnik pomenila človeka, ki računa, in ne računskega stroja). Toda ker so bila mehanska računala v devetnajstem stoletju že dodobra uveljavljena, je Babbage zamisel dopolnil in človeške računalnike nadomestil z zanesljivejšim – strojnimi.

Diferenčni stroj

Diferenčni stroj

Babbage je leta 1822 Kraljevi astronomski družbi predložil predlog za izdelavo diferenčnega stroja, delovanje pa pojasnil v članku. Društvo je zamisel odobrilo. Babbage je od britanske vlade leta 1823 prejel denarno pomoč 1700 funtov (danes 200.000 evrov). Že leto kasneje mu je Kraljeva astronomska družba za »izum« diferenčnega stroja podelila zlato medaljo.

A konstrukcija stroja že od začetka ni potekala najbolje. Babbage se v nasprotju z izbranim glavnim mehanikom, Josephom Clementom, ni posebej posvečal zahtevani natančnosti pri izdelavi sestavnih delov. Clement je za svoje delo potreboval tudi zelo natančna orodja, katerih cena se je zažirala v proračun (je pa res, da je bilo v tistem času v navadi, da je obrtnik obdržal vse orodje, izdelano za izvedbo projekta, to pa tudi ni prispevalo k večji učinkovitosti). Obenem je Babbage vseskozi spreminjal in dopolnjeval načrte, spominjalo je na igro mačke z mišjo. Med spreminjanjem načrtov se mu je porodila zamisel za nov, univerzalnejši stroj. In kot da to ne bi bilo dovolj, se je vedno bolj ukvarjal z vsem drugim, le z gradnjo stroja ne. Ko je prevzel mesto predstojnika matematične katedre v Cambridgeu, ugleden položaj, ki ga je precej pred njim zasedal Isaac Newton in precej za njim Stephen Hawking, je začel pisati pamflete o propadu takratne znanosti, v katerih je kritiziral delo številnih kolegov. Prav tako mu je hrup velemestnega Londona motil zbranost, kar je bilo nekoliko nenavadno, saj je bil vendar salonski lev. A namesto da bi si našel mirnejši kotiček za delo, je raje pritisnil na vlado, da je izdala Babbagev odlok, ki je prepovedal igranje uličnim glasbenikom. Seveda se ti niso dali in so mu nekaj prihodnjih let veselo godli pod oknom.

Kakorkoli že, ko je britanska vlada leta 1842 umaknila podporo diferenčnemu stroju, so dela na stroju pogoltnila že 17.000 funtov ali več kot 2 milijona evrov v današnjem denarju, brez delujočega prototipa. Babbageu in Clementu je uspelo izdelati le približno sedmino naprave, celoten stroj pa bi moral imeti 25.000 sestavnih delov in tehtati dobre 4 tone.

Analitični stroj

Charles Babbage je dobil zamisel o univerzalnem računalniku, ki bi bil namenjen strojnemu računanju poljubnih matematičnih operacij, leta 1837. Analitični stroj naj bi združeval aritmetično enoto, ki jo je poimenoval mlin, in pomnilnik, pri čemer bi poseben mehanizem nadzoroval pravilen tok podatkov. Podatki naj bi bili shranjeni na luknjanih karticah, podobnih onim, ki jih je Joseph Marie Jacquard uporabil na svojih statvah. Mlin naj bi uporabljal desetiško aritmetiko (čeprav se je Babbage poigraval tudi z bazami 3, 4, 5, 12, 16 in celo 100) s fiksno decimalno vejico, pri čemer bi lahko izvajal seštevanje, odštevanje, množenje in deljenje. Vse operacije bi se seveda izvajale mehansko s številnimi zobniki. Načrtovana zmogljivost pomnilnika je bila tisoč števil s 40 desetiškimi ciframi, kar je zavidljivih 16 kB po sodobnejšem standardu.

Operacijski sistem je bil zasnovan na kartičnih ukazih in je bil podoben kasnejšim zbirnim jezikom. Kartice bi bile ločene v dve skupini: ukazne, ki bi določale matematično operacijo oziroma skoke in zanke, in podatkovne, ki bi določale, kje so podatki in kam se izpisujejo. Prav tako bi se rezultati izpisovali na kartice, določene parametre pa bi bilo mogoče vnesti ročno z vrtenjem in nastavljanjem kolesc.

Babbage svojega analitičnega stroja ni nikoli dokončal. Britanska vlada je bila še vedno užaljena zaradi poloma z diferenčnim strojem, zato je analitičnega ignorirala. Že poprej omenjene težave z izdelavo dovolj natančnih delov pa so prispevale svoje k neuspehu izgradnje. Babbage je iz trme izdelal nekaj delujočih delov, predvsem mlin in izpisovalni mehanizem, o katerih je leta 1910 poročal Charlesov sin Henry Prevost Babbage. A tudi ta delni stroj na žalost ni deloval pravilno.

Eden najpomembnejših Babbagevih prispevkov je sposobnost njegovega analitičnega stroja, da spreminja zaporedje izvajanja ukazov in tako izvajanja zanke glede na rezultat prejšnje operacije. Babbagev analitični stroj je bil popoln Turingov stroj, seveda slabo stoletje, preden je bil slednji izumljen. Prav tako je pomembno, da je analitični stroj že ločil med programsko in strojno opremo.

Vrnitev k diferenčnemu stroju

Babbage se je po neuspehu z analitičnim strojem vrnil k diferenčni napravi. Za snovanje druge različice je uporabil nekaj naprednih zamisli, ki so bile razvite za analitični stroj. V dveh letih, do leta 1849, mu je uspelo dokončati načrte, ki bi omogočali cenejšo in hitrejšo izdelavo celotnega stroja z manj sestavnimi deli. A verjetno je izdelavo prototipa spet preprečilo pomanjkanje sredstev. Nekaj let kasneje pa sta podobni napravi, ki sta delno temeljili na Babbagevi konstrukciji, izdelala Šveda Per Georg Scheutz in Martin Wiberg. Scheutz je naredil vsaj dve napravi in leta 1859 prvo celo predrzno prodal britanski vladi.

Kmalu po Charlesovi smrti so se vodilni znanstveniki odločili, da nima smisla nadaljevati projekta in graditi analitičnega stroja. Babbagevo delo je tako počasi utonilo v pozabo in prvi snovalci elektronskih računalnikov sredi dvajsetega stoletja o njegovih konceptih niso vedeli nič. Šele v zadnjih desetletjih je vedenje o Babbagevih projektih spet doseglo raziskovalce.

Tako so v letih 1989–1891 v londonskem Muzeju znanosti izdelali repliko njegovega diferenčnega stroja št. 2. Naprava je težka 5 ton, dolga 3,3 m in visoka dobra dva metra, sestavljena pa je iz 8000 sestavnih delov, pri čemer so uporabili tolerance, dosegljive v Babbagevem času. Stroj omogoča izračun številk, ki obsegajo do 31 števk. Leta 2000 so stroju po Babbagevih originalnih načrtih dodali še tiskalnik. Pred petimi leti so britanski znanstveniki naznanili načrt z zvenečim imenom Plan 28 za izdelavo Analitičnega stroja. Ena največjih ovir je pomanjkanje končnih načrtov, saj se je Babbage z njimi ukvarjal vse do smrti. Dokončan stroj naj bi imel 675 bytov pomnilnika, mlin pa naj bi mlel s hitrostjo 7 Hz. Po prvotnih načrtih naj bi bil analitični stroj dokončan do 150. obletnice Babbageve smrti – leta 2021, a jih ne bomo držali za besedo, saj so v zadnjih letih novice o napredku preprosto potihnile.

Lady Ada Lovelace
Ni bil sam

Zapis o Babbagevih strojih pa ne bi bil popoln brez podrobnejše omembe Auguste Ade Byron oziroma lady (Ade) Lovelace, Babbageve sodelavke pri programiranju analitičnega stroja. Ada je bila edini zakonski otrok slovitega angleškega pesnika, lorda Byrona. Byron je družino kmalu zapustil, zato je Adina mati, ki je vedno manj cenila Byronovo vihravo naravo, sklenila Ado izobraziti na bolj naravoslovnih področjih, da bi ji tako preprečila stik s »pesniško norostjo.« Četudi se to sliši nekoliko zlohotno, je bila mlada Ada deležna dobrega pouka pri številnih znanih britanskih znanstvenikih, na primer Michaelu Fahradayu.

Charlesa je srečala leta 1833 na eni od njegovih zabav, ko je med drugim razkazoval del diferenčnega stroja. Čeprav se je kmalu poročila in so jo zakonske dolžnosti in skrb za otroke bolj ali manj odtegovale od študija, je še vedno veliko pozornosti namenjala matematiki. V letih 1842–1843 je prevedla članek Italijana Luigija Manabrea (slednji je kasneje postal Italijanski premier) o Babbigevi najnovejši predlagani napravi – analitičnem stroju. Članek je nastal po Charlesovem predavanju na torinski univerzi, a se Ada ni ustavila pri golem prevodu, temveč je članku dodala še obširne zapiske, v katerih je dodobra razložila razlike med obema Babbigevima strojema. V razdelku G pa še podrobno obdelala delovanje algoritma za izračun Bernoullijevih števil. Čeprav je tudi Babbage izdeloval programe, verjetno več kot Ada, pa so prav Adini zapiski prvi zgled dokumentiranega računalniškega algoritma. Ni zgolj prepisovala, saj je v Babbigevem algoritmu odkrila hrošča in ga dokumentirano popravila.

Na Charlesove naprave ni gledala le kot na enostavne mlinčke za številke, temveč jo je zanimala še danes aktualna umetna inteligenca. Z matematičnimi modeli je poskusila popisati človeške misli. A na žalost je ugotovila, da Babbagev stroj ne zna narediti nič takega, za kar ga ne bi sprogramirali ljudje, čeprav je Babbage trdil, da bo njegov stroj premagal človeka v igri križci in krožci.