Информатик

Информатика – молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.

До настоящего времени толкование термина “информатика” (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) еще не является установившимся и общепринятым. Обратимся к истории вопроса, восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.

После второй мировой войны возникла и начала бурно развиваться кибернетика как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных. Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием в 1948 г. американским математиком Норбертом Винером, ставшей знаменитой, книги “Кибернетика или управление и связь в животном и машине”. В этой работе были показаны пути создания общей теории управления и заложены основы методов рассмотрения проблем управления и связи для различных систем с единой точки зрения. Развиваясь одновременно с развитием электронно-вычислительных машин, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации. Под информацией в кибернетике понимается любая совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторой системой воспринимаются от окружающей среды (входная информация X), выдаются в окружающую среду (выходная информация У), а также хранятся в себе (внутренняя, внутрисистемная информация Z), рис. 1.

Развитие кибернетики в нашей стране встретило идеологические препятствия. Как писал академик А.И.Берг, “... в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин”. Достаточно сказать, что еще в философском словаре 1959 года издания кибернетика характеризовалась как “буржуазная лженаука”. Причиной этому послужили, с одной стороны, недооценка новой бурно развивающейся науки отдельными учеными “классического” направления, с другой – неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфантастических прогнозах о безграничных возможностях кибернетики, дискредитируя тем самым эту науку.

Рис. 1. Общая схема обмена информацией между системой и внешней средой

Дело к тому же осложнялось тем, что развитие отечественной кибернетики на протяжении многих лет сопровождалось серьезными трудностями в реализации крупных государственных проектов, например, создания автоматизированных систем управления (АСУ). Однако за это время удалось накопить значительный опыт создания информационных систем и систем управления технико-экономическими объектами. Требовалось выделить из кибернетики здоровее научное и техническое ядро и консолидировать силы для развития нового движения к давно уже стоящим глобальным целям.

Подойдем сейчас к этому вопросу с терминологической точки зрения. Вскоре вслед за появлением термина “кибернетика” в мировой науке стало использоваться англоязычное “Computer Science”, а чуть позже, на рубеже шестидесятых и семидесятых годов, французы ввели получивший сейчас широкое распространение термин “Informatique”. В русском языке раннее употребление термина “информатика” связано с узко-конкретной областью изучения структуры и общих свойств научной информации, передаваемой посредством научной литературы. Эта информационно-аналитическая деятельность, совершенно необходимая и сегодня в библиотечном деле, книгоиздании и т.д., уже давно не отражает современного понимания информатики. Как отмечал академик А.П. Ершов, в современных условиях термин информатика “вводится в русский язык в новом и куда более широком значении – как название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании информатика оказывается более непосредственно связанной с философскими и общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу “традиционных” академических научных дисциплин”.

Попытку определить, что же такое современная информатика, сделал в 1978 г. Международный конгресс по информатике: “Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного и социального воздействия”.

III в. Счеты с передвигающимися костяшками позволили ускорить вычисления

Во все времена людям нужно было считать. В туманном доисторическом прошлом они считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи «электронного мозга», который называется компьютером.

Специалисты, наверное, не преминут заметить, что компьютер - это не мозг (по крайней мере пока - уточнят некоторые). Это просто-напросто еще один инструмент, еще одно устройство, придуманное для того, чтобы облегчить наш труд или усилить нашу власть над природой. Ведь при всем его кажущемся великолепии современный компьютер обладает, по существу, одним-единственным талантом реагировать с молниеносной быстротой на импульсы электрического напряжения. Истинное величие заключено в человеке, его гении, который нашел способ преобразовывать разнообразную информацию, поступающую из реального мира, в последовательность нулей и единиц двоичного кода, т. е. записывать ее на математическом языке, идеально подходящем для электронных схем компьютера.

И все же, пожалуй, ни одна другая машина в истории не привнесла в наш мир столь быстрых и глубоких изменений. Благодаря компьютерам стали возможными такие знаменательные достижения, как посадка аппаратов на поверхность Луны и исследование планет Солнечной системы. Компьютеры создают тысячи удобств и услуг в нашей повседневной жизни. Они управляют анестезионной аппаратурой в операционных, помогают детям учиться в школах, «изобретают» видеотрюки для кинематографа. Компьютеры взяли на себя функции пишущих машинок в редакциях газет и счетных аппаратов в банках. Они улучшают качество телевизионного изображения, управляют телефонными станциями и определяют цену покупок в кассе универсального магазина. Иными словами, они столь прочно вошли в современную жизнь, что обойтись без них практически невозможно.

В последние годы в мощности компьютеров и широте их применения достигнуты поистине головокружительные успехи. В основном это стало возможным благодаря появлению в начале 70-х годов крошечного технологического чуда, называемого микропроцессором. На маленьком кремниевом кристалле - размером меньше, чем ноготок грудного младенца, - помещаются сотни тысяч электронных компонентов, превосходящих по своей производительности занимавших целые залы «динозавров», которые господствовали в мире компьютеров еще несколько лет назад.

Несмотря на столь бурный прогресс в наши дни, закладка фундамента компьютерной революции происходила медленно и далеко не гладко. Отправной точкой этого процесса можно считать изобретение счетов, сделанное более 1500 лет назад, по-видимому, в странах Средиземноморья. Этим нехитрым устройством, состоящим из набора костяшек, нанизанных на стержни, купцы пользовались для своих расчетов. В арифметическом смысле стержни счетов представляют собой разряды системы счисления: каждая костяшка на первом стержне имеет достоинство 1, на втором стержне - достоинство 10 и т. д. Счеты оказались очень эффективным инструментом и вскоре распространились по всему свету, а в некоторых странах применяются еще и по сей день. Вплоть до XVII в., ознаменовавщегося невиданным подъемом творческой мысли, счеты как вычислительный инструмент оставались практически вне конкуренции.

1617 г. В счетном устройстве Непера операция умножения производилась путем сложения чисел, расположенных в прилегающих друг к другу сегментах.

Европейские мыслители той эпохи были увлечены идеей создания счетных устройств. Одним из самых плодотворных изобретателей был щотландец Джон Непер, теолог, математик и изобретатель «оружия смерти», задумавщий сконструировать систему зеркал и линз, которая поражала бы цель смертоносным солнечным лучом. Однако более заметный след в истории оставило изобретение им логарифмов, о чем сообщалось в публикации 1614 г. Логарифм - это показатель степени, в которую нужно возвести число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Непер понял, что таким способом можно выразить любое число. Например, 100 - это 10 в квадрате, а 23 - это 10 в степени 1,36173. Более того, он обнаружил, что сумма логарифма чисел а и Ь равна логарифму произведения этих чисел. Благодаря этому свойству сложное действие умножения сводилось к простой операции сложения. Чтобы перемножить два больших числа, нужно лишь посмотреть их логарифмы в таблице, сложить найденные значения и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице, называемой таблицей антилогарифмов.

Таблицы Непера, расчет которых требовал очень много времени, были позже «встроены» в удобное устройство, чрезвычайно ускоряющее процесс вычисления, - логарифмическую линейку; она была изобретена в конце 1620-х годов. Непер же придумал в 1617 г. (год его смерти) и другой - не логарифмический - способ перемножения чисел. Инструмент, получивший название «костяшки Непера», состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, мы получали результат их умножения. Теории логарифмов Непера суждено было найти обширные применения. Однако его «костяшки» вскоре были вытеснены логарифмической линейкой и другими вычислительными устройствами - в основном механического типа.

Аналитическая машина Бэббиджа

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, ближе всего к созданию компьютера в современном его понимании подошел англичанин Чарлз Бэббидж. Родившийся в 1791 г. в графстве Девоншир в богатой семье, Бэббидж прославился как остротой ума, так и своими чудачествами. В течение 13 лет этот эксцентричный гений заведовал кафедрой математики Кембриджского университета (когда-то этот пост занимал Ньютон), но не прожил при университете ни дня и не прочел там ни одной лекции. Бэббидж был одним из основателей Королевского астрономического общества, автором всевозможных сочинений на самые различные темы - от политики до технологии производства. Он принимал участие в создании различных приборов, в частности тахометра, и приспособлений, например предохранительной решетки для железнодорожного локомотива, которая позволяла отбрасывать с пути случайно попавшие туда предметы. Бэббидж занимался и такими серьезными проблемами, как расчеты смертности населения и реформа почтовой службы, не гнушаясь и более пустяковыми делами. Долгие годы он безуспешно воевал с уличными шарманщиками, игра которых выводила его из себя. Когда Бэббидж умер, лондонская газета «Таймс» писала о нем как о человеке, дожившем почти до 80 лет, «несмотря на преследования со стороны шарманщиков».

Однако главной страстью Бэббиджа была борьба за безукоризненную математическую точность. Он буквально объявил «крестовый поход» против ошибок в таблицах логарифмов, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики и штурманы дальнего плавания. Ничто не ускользало от его внимательного взгляда. Однажды он послал письмо поэту А. Теннисону, в котором резко критиковал его строки «Каждый миг какой-то человек умирает, каждый миг рождается другой». Поскольку численность населения Земли не остается постоянной, отмечал Бэббидж, эти строки следовало бы привести в соответствие с истиной следующим образом: «Каждый миг один человек умирает, каждый миг рождается один и одна шестнадцатая другого».

Машина Бэббиджа

1822 г. Разностная машина Чарлза Бэббиджа предназначалась для расчетов математических таблиц.

Наивысшим достижением Чарлза Бэббиджа и вместе с тем его величайшей болью была разработка принципов, положенных в основу современного компьютера, за целое столетие до того, как появилась техническая возможность их реализации. Он потратил несколько десятилетий, крупные правительственные субсидии и значительную часть собственных средств в безуспешных попытках создать вычислительную машину, работающую на этих принципах.

В 1822 г. Бэббидж опубликовал научную статью с описанием машины, способной рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины, состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Затем, заручившись поддержкой Королевского общества - самой престижной научной организации Великобритании, - он обратился к правительству с просьбой финансировать создание полномасштабной работающей машины. Эта машина, писал он президенту Королевского общества, возьмет на себя «невыносимо утомительную работу», неизбежную при многократно повторяющихся математических расчетах, которые «представляют собой самое низкое занятие, не достойное человеческого интеллекта». Королевское общество сочло его работу «в высшей степени достойной общественной поддержки», и уже через год британское правительство представило Бэббиджу для реализации его проекта субсидию в 1500 фунт. стерл.

На протяжении следующего десятилетия Бэббидж без устали работал над своим изобретением. Первоначально он рассчитывал завершить ее за три года, но Разностная машина становилась все сложнее по мере того, как он ее модифицировал, совершенствовал и конструировал заново. Бэббиджа все время преследовали болезни, нескончаемая работа и финансовые проблемы. Хотя сумма правительственных субсидий в итоге выросла до 17000 фунт. стерл., росли и сомнения официальных лиц в нецелесообразности затрат и пользе самого проекта. В конце концов финансирование было приостановлено, но лишь через несколько лет правительство официально уведомило Бэббиджа, что выделение средств на его машину прекращается.

1833 Г. Бэббидж уже был готов отказаться от своих планов, связанных с Разностной машиной. Это и не удивительно, если принять во внимание сложности его жизни. Однако, продолжая размышлять на ту же тему, он пришел к идее создания еще более мощной машины. Аналитическая машина Бэббиджа в отличие от своей предшественницы должна была не просто решать математические задачи одного определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это была «машинасамого универсального характера» - в действительности го иное, как первый универсальный программируемый компьютер.

Аналитическая машина должна была иметь такие компоненты, как «мельница» и «склад» (по современной терминологии - арифметическое устройство и память), состоящие из механических рычажков и шестеренок. Память машины вмещала до 100 сорокаразрядных чисел. Эти числа должны были храниться в памяти, пока до них не дойдет очередь в арифметическом устройстве. Результат операции либо отправлялись в память, чтобы также ждать своей очереди, либо распечатывались. Инструкции, команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт. «Можно с полным основанием сказать, Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок Жаккарда воспроизводит цветы и листья», - писала графиня Лавлейс, одна из немногих, кто понимал, как работает машина и каковы потенциальные области ее применения.

Урожденная Огаста Ада Байрон, единственный законный ребенок поэта лорда Байрона, графиня отдала все свои незаурядные математические и литературные способности осуществлению проекта Бэббиджа. Говоря об Аналитической машине, Бэббидж отмечал, что графиня «повидимому, понимает ее лучше меня, а уж объясняет ее устройство во много-много раз лучше». Она прекрасно поняла революционную сущность машины - то, что это действительно был «математический станок Жаккарда», изначально как бы бессмысленный, но способный выполнить любую программу, переведенную на язык перфокарт.

Графиня Лавлейс помогла Бэббиджу прояснять его собственные идеи, воодушевляла его, глубоко интересуясь его работой и заражая своим энтузиазмом. Но даже ее литературного дара и обаяния оказалось недостаточно, чтобы решить главную проблему на пути создания Аналитической машины. Если Разностная машина имела сомнительные шансы на успех, то Аналитическая машина и вовсе выглядела нереалистичной. Ее просто невозможно было построить и запустить в работу. В своем окончательном виде машина должна была быть не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла собой беспорядочное нагромождение стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем. Малейшая нестабильность какой-нибудь крошечной детали приводила бы к стократно усиленным нарушениям в других частях, и тогда вся машина пришла бы в бешенство.

Аналитическая машина Беббиджа

1834г. По замыслу Аналитическая машина Бэббиджа должна была производить разнообразные вычисления, следуя набору инструкций.

Аналитическая машина так и не была построена. Все, что дошло от нее до наших дней, - это ворох чертежей и рисунков, а также небольшая часть арифметического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

По иронии судьбы Разностной машине повезло больше. Хотя сам Бэббидж больше не возвращался к ней, шведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц, прочтя как-то об этом устройстве, построил его слегка видоизмененный вариант, воспользовавшись ценными советами Бэббиджа. Несомненно, это было для Бэббиджа и радостное, и горькое событие, когда он наконец увидел, как его (теперь уже общее) детище успешно прошло испытания - это случилось в 1854 г. в Лондоне. А годом позже Разностная машина Шойца была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже. Спустя еще несколько лет британское правительство, отказавшее в свое время в поддержке Бэббиджу, заказало одну из таких машин для правительственной канцелярии.

Понятие информатика