Motor analítico - Analytical Engine


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modelo de prueba de una parte de la máquina analítica, construido por Babbage, como se muestra en el Museo de Ciencias (Londres)

La máquina analítica era un mecánico propuesto computadora de propósito general diseñado por el matemático Inglés y pionero de la informática Charles Babbage . Fue descrita por primera vez en 1837 como el sucesor de Babbage máquina diferencial , un diseño para un equipo mecánico. La máquina analítica incorpora una unidad lógica aritmética , el flujo de control en forma de la bifurcación condicional y bucles , e integrado de memoria , por lo que es el primer diseño para una computadora de propósito general que puede ser descrito en términos modernos como Turing completo . En otras palabras, la estructura lógica de la máquina analítica fue esencialmente el mismo que el que ha dominado el diseño por ordenador en la era electrónica.

Babbage nunca fue capaz de completar la construcción de cualquiera de sus máquinas debido a conflictos con su jefe de máquinas y financiación inadecuada. No fue hasta la década de 1940 que los primeros ordenadores de uso general se construyen en realidad, más de un siglo después de Babbage había propuesto la máquina analítica pionera en 1837.

Diseño

Hay dos tipos de tarjetas perforadas que se utilizan para programar la máquina. Primer plano: '' cartas operativas, para la entrada de instrucciones ; Antecedentes: '' tarjetas de variables, para la entrada de datos

El primer intento de Babbage en un dispositivo de computación mecánica, el motor de diferencia , era una máquina de propósito especial diseñado para tabular los logaritmos y funciones trigonométricas mediante la evaluación de las diferencias finitas para crear aproximan polinomios . La construcción de esta máquina nunca se completó; Babbage tuvo conflictos con su jefe de máquinas, José Clemente , y en última instancia el gobierno británico retiró su financiación para el proyecto.

Durante este proyecto, se dio cuenta de que un diseño mucho más general, la máquina analítica, era posible. El trabajo en el diseño de la máquina analítica comenzó en c. 1833.

La entrada, que consta de programas y datos ( "fórmulas" y "datos") debía ser proporcionada a la máquina a través de tarjetas perforadas , un método que se utiliza en el momento de dirigir mecánicas telares tales como el telar Jacquard . Para la salida, la máquina tendría una impresora, un trazador de curva y una campana. La máquina también sería capaz de perforar los números en las tarjetas para ser leído más tarde. Se emplea ordinario base 10 aritmética de coma fija.

Hubo ser una tienda (es decir, una memoria) capaz de contener 1.000 números de 40 dígitos decimales cada uno (ca. 16,2 kB ). Una unidad aritmética (el "molino") sería capaz de realizar las cuatro operaciones aritméticas , además de las comparaciones y, opcionalmente, raíces cuadradas . Inicialmente (1838) que fue concebido como un motor de diferencias curvada sobre sí misma, en una disposición generalmente circular, con la tienda de largo que sale a un lado. Dibujos más tarde (1858) muestran un diseño de cuadrícula regularizada. Al igual que la unidad central de procesamiento (CPU) en una computadora moderna, el molino sería confiar en sus propios procedimientos internos , para ser almacenada en forma de clavijas insertadas en tambores llamados "barriles" giratoria, para llevar a cabo algunas de las instrucciones más complejas del El programa de usuario puede especificar.

El lenguaje de programación para estar al servicio de los usuarios era similar a la de hoy en día lenguajes ensambladores . Bucles y bifurcaciones condicionales eran posibles, por lo que el lenguaje como concebida habrían sido Turing completo como se define más adelante por Alan Turing . Se utilizaron tres tipos diferentes de tarjetas perforadas: una para operaciones aritméticas, una para constantes numéricas, y otro para las operaciones de carga y almacenamiento, la transferencia de los números de la tienda para la unidad aritmética o la espalda. Había tres lectores diferentes para los tres tipos de tarjetas. Babbage desarrolló alrededor de dos docenas de programas para la máquina analítica entre 1837 y 1840, y un programa más adelante. Estos programas tratan polinomios, fórmulas iterativas, la eliminación de Gauss , y los números de Bernoulli .

En 1842, el matemático italiano Luigi Federico Menabrea publicó una descripción del motor basado en una conferencia de Babbage en francés. En 1843, la descripción se tradujo al Inglés y ampliamente anotado por Ada Lovelace , quien se había interesado en el motor de ocho años antes. En reconocimiento a sus incorporaciones al papel de Menabrea, que incluía una forma de calcular los números de Bernoulli utilizando la máquina, que ha sido descrito como la primera programadora de computadoras .

Construcción

De Henry Máquina Analítica de Babbage molino, construido en 1910, en el Museo de Ciencias (Londres)

Al final de su vida, Babbage buscó maneras de construir una versión simplificada de la máquina, y se monta una pequeña parte de él antes de su muerte en 1871.

En 1878, un comité de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia describió la máquina analítica como "una maravilla del ingenio mecánico", pero se recomienda contra la construcción de la misma. El Comité reconoció la utilidad y el valor de la máquina, pero no se pudo estimar el costo de la construcción de ésta, y no estaban seguros de si la máquina podría funcionar correctamente después de haber sido construida.

De forma intermitente desde 1880 hasta 1910, hijo de Babbage Henry Prevost Babbage fue la construcción de una parte de la fábrica y el aparato de impresión. En 1910 calculado una lista (defectuoso) de múltiplos de pi . Esto constituyó sólo una pequeña parte de todo el motor; no era programable y no tenía almacenamiento. (Imágenes significativas de esta sección han sido a veces mal etiquetados, dando a entender que se trataba de toda la fábrica o incluso el motor entero.) Henry Babbage "Máquina Analítica Molino" se exhibe en el Museo de Ciencias de Londres. Henry también propuso la construcción de una versión de demostración del motor completo, con una capacidad de almacenamiento más pequeña: "tal vez por una primera máquina de diez (columnas) haría, con quince ruedas en cada uno". Tal versión podría manipular 20 números de 25 dígitos cada uno, y lo que podría ser contada que ver con esos números todavía podría ser impresionante. "Es sólo una cuestión de tarjetas y el tiempo", escribió Henry Babbage en 1888," ... y no hay ninguna razón por la cual (veinte mil) tarjetas no deben usarse si es necesario, en una máquina analítica para los fines del matemático ".

En 1991, el Museo de Ciencia de Londres construyó un ejemplar completo y de trabajo de Babbage del motor de diferencia Nº 2 , un diseño que incorpora refinamientos Babbage ha descubierto durante el desarrollo de la máquina analítica. Esta máquina fue construida utilizando materiales y tolerancia de fabricación que habrían estado disponibles a Babbage, sofocar la sugerencia de que los diseños de Babbage no podrían haber sido producidas utilizando la tecnología de fabricación de su tiempo.

En octubre de 2010, John Graham-Cumming comenzó una campaña "Plan 28" para recaudar fondos por "suscripción popular" para permitir un estudio histórico y académico serio de los planes de Babbage, con miras a continuación, construir y probar un diseño virtual completamente de trabajo que luego a su vez, permitirá la construcción de la máquina analítica física. En mayo de 2016, la construcción real no se había intentado, ya que ninguna comprensión sistemática todavía se podría obtener a partir de dibujos originales del diseño de Babbage. En particular, no estaba claro si podría manejar las variables indexados que se requerían para el programa de Bernoulli de Lovelace. Para el 2017, el esfuerzo "Plan 28", informó que una base de datos de todo el material catalogado estaba disponible, y una revisión inicial de de Babbage voluminosos libros garabateando se había completado.

Conjunto de instrucciones

esquema en planta de la máquina analítica de 1840

Babbage no es conocido por haber escrito un conjunto explícito de instrucciones para el motor en la forma de un manual del procesador moderno. En su lugar, mostró sus programas como listas de estados durante su ejecución, que muestra lo que el operador se realizó a cada paso con poca indicación de cómo se guiaría el flujo de control.

Allan G. Bromley ha asumido que la baraja se podía leer en las direcciones hacia adelante y atrás en función de la bifurcación condicional después de la prueba para las condiciones, lo que haría que el motor de Turing completo:

... las tarjetas pueden ser ordenados para seguir adelante y marcha atrás (y por lo tanto a circular) ...

La introducción por primera vez, en 1845, de las operaciones del usuario para una variedad de funciones de servicio que incluyen, lo más importante, un sistema eficaz de control de usuario de bucle en los programas de usuario. No hay ninguna indicación de cómo se especifica la dirección de giro de la operación y tarjetas de variables. En ausencia de otras pruebas que he tenido que adoptar el supuesto defecto mínimo que tanto la operación como variables cartas sólo se pueden girar hacia atrás cuando es necesario implementar los bucles utilizados en programas de ejemplo de Babbage. No habría ninguna dificultad mecánica o microprogramming en la colocación de la dirección del movimiento bajo el control del usuario.

En su emulador del motor, Fourmilab decir:

Lector de tarjetas del motor no está limitado a simplemente procesar las tarjetas en una cadena, una tras otra de principio a fin. Puede, además, dirigida por las mismas tarjetas que lee y asesorado por el si está activada la palanca de arranque del molino, o bien avanzar en la cadena de la tarjeta hacia adelante, saltándose las tarjetas intermedias, o hacia atrás, causando tarjetas leído previamente a ser procesado Una vez más.

Este emulador proporciona un conjunto de instrucciones escritas simbólica, aunque esto ha sido construido por sus autores en lugar de sobre la base de trabajos originales de Babbage. Por ejemplo, un programa factorial debería escribirse como:

N0 6
N1 1
N2 1
×
L1
L0
S1
-
L0
L2
S0
L2
L0
CB?11

donde el CB es la instrucción condicional sucursal o "tarjeta de combinación" se utiliza para hacer el salto flujo de control, en este caso hacia atrás por 11 cartas.

Influencia

influencia predicho

Babbage entiende que la existencia de un equipo automático encendería interés en el campo ahora se conoce como la eficiencia algorítmica , escribiendo en sus pasajes de la vida de un filósofo , "Tan pronto como exista una máquina analítica, que le guiará necesariamente el curso futuro de la ciencia. Siempre que cualquier resultado es buscado por su ayuda, entonces surgirá-mediante la cuestión lo largo de cálculo se puede llegar a estos resultados por la máquina en el menor tiempo ?"

Ciencias de la Computación

Desde 1872 Henry siguió diligentemente con el trabajo de su padre y luego de manera intermitente en el retiro en 1875.

Percy Ludgate escribió sobre el motor en 1914 y diseñó su propia máquina analítica (que fue elaborado en detalle, pero nunca construido) sobre 1907-1909. El motor de Ludgate sería mucho más pequeña que Babbage de de aproximadamente 8 pies cúbicos (230  l ), y hipotéticamente sería capaz de multiplicar dos números de 20 dígitos decimales en unos seis segundos.

Torres y Quevedo escribió acerca de los motores de Babbage en Ensayos sobre Automática (1913). Libro contiene el diseño para una máquina electromecánica capaz de calcular de forma totalmente automática el valor de una función.

Vannevar Bush papel 's Análisis Instrumental (1936) incluye varias referencias al trabajo de Babbage. En el mismo año comenzó el proyecto de la máquina aritmética rápida para investigar los problemas de la construcción de un ordenador digital electrónico.

A pesar de este trabajo preliminar, el trabajo de Babbage cayó en el olvido histórico, y la máquina analítica era desconocido para los constructores de máquinas electro-mecánicas y de computación electrónica en los años 1930 y 1940 cuando comenzaron su trabajo, lo que resulta en la necesidad de volver a inventar muchas de la arquitectura innovaciones Babbage habían propuesto. Howard Aiken , que construyó la calculadora electromecánica obsoleto rápidamente, el Harvard Mark I , entre 1937 y 1945, elogió el trabajo de Babbage probablemente como una forma de mejorar su propia estatura, pero no sabía nada de la arquitectura de la máquina analítica durante la construcción de la marca I , y consideró su visita a la parte construida de la Máquina analítica "la mayor decepción de mi vida". El Mark I mostró influencia de la máquina analítica y carecía característica arquitectónica más profético de la máquina analítica, la bifurcación condicional . John Presper Eckert y John W. Mauchly de manera similar no estaban al tanto de los detalles del trabajo Máquina Analítica de Babbage antes de la finalización de su diseño para la primera computadora de propósito general electrónico, el ENIAC .

Comparación con otros ordenadores tempranos

Si la máquina analítica había sido construido, habría sido digitales , programables y Turing completo . Sería, sin embargo, ha sido muy lento. Luigi Federico Menabrea informó en Boceto de la Máquina Analítica : "Sr. Babbage cree que puede, por su motor, formar el producto de dos números, cada uno con veinte figuras, en tres minutos". En comparación, el Harvard Mark I podría realizar la misma tarea en tan sólo seis segundos. Un PC moderno puede hacer lo mismo en menos de una billonésima parte de un segundo.

Nombre En primer lugar operativa sistema de numeración mecanismo de la computación Programación Turing completa Memoria
Máquina Diferencial No construida hasta la década de 1990 Decimal Mecánico No programable; constantes numéricas iniciales de diferencias polinómicas configurar físicamente No Estado físico de las ruedas en los ejes
Motor analítico Todavía no incorporado Decimal Mecánico Programa controlado por tarjetas perforadas Estado físico de las ruedas en los ejes
Bombe (Polonia, Reino Unido, EE.UU.) 1939 ( Polonia ), marzo de 1940 (británica), mayo de 1943 (EE.UU.) carácter cálculos Electro-mecánico No programable; los ajustes de entrada de cifrado especificados por cables de conexión No Estado físico de los rotores
Zuse Z3 (Alemania) de mayo de 1941 Binaria de punto flotante Electro-mecánico Programa controlado por perforado 35 mm película Stock En principio mecánicos relés
Atanasoff Berry Computer (US) 1942 Binario Electrónico No programable; lineal de entrada de coeficientes del sistema utilizando tarjetas perforadas No memoria condensador Regenerativa
Coloso Marcos 1 (Reino Unido) de diciembre de 1943 Binario Electrónico Programa controlado por cables de conexión y los interruptores No Válvulas termiónicas (tubos de vacío) y tiratrones
Harvard Mark I  - IBM ASCC (EE.UU.) de mayo de 1944 Decimal Electro-mecánico Programa controlado por 24 canales cinta de papel perforado (pero no de bifurcación condicional) No relés mecánicos
Zuse Z4 (Alemania) De marzo de 1945 (o 1948) punto flotante binario Electro-mecánico Programa controlado por perforado 35 mm de película de mecánicos relés
ENIAC (US) de julio de 1946 Decimal Electrónico Programa controlado por cables de conexión y los interruptores De vacío triodo tubo flip-flops
Manchester bebé (Reino Unido) 1948 Binario Electrónico programa binario entró en la memoria por el teclado (primera electrónica de programa almacenado computadora digital) tubo de rayos catódicos Williams

En la cultura popular

  • Los cyberpunk novelistas William Gibson y Bruce Sterling co-autor de un steampunk novela de historia alternativa titulado El motor de diferencia en la que se dispuso de diferencia y analíticos motores de Babbage a la sociedad victoriana. La novela explora las consecuencias e implicaciones de la introducción temprana de la tecnología computacional.
  • También hay mención de la máquina analítica (o el Ouroboros mecánica como también se le conoce allí) en el Libro de la Guerra , una facción paradoja antología editada por Lawrence Miles . Esta máquina se utiliza para calcular un camino en el "Once Imperio Día". Su uso como resultado la destrucción de los originales Cámaras del Parlamento .
  • En la novela estación de la calle Perdido , de la autora británica de China Miéville , motores similares a Babbage sirven como "cerebros" de las construcciones robóticas de la ciudad de Nueva Crobuzon. Una de esas motor aún se desarrolla el pensamiento consciente, debido a un bucle recursivo algorítmica.
  • El Imperio Británico de Los Lanceros Peshawar por SM Stirling cuenta con un motor de análisis de accionamiento hidráulico masivo en Oxford , utilizado por dos de los personajes principales. Se hace notar que la mayor parte de los motores funcionan con vapor, y que uno aún más grande se encuentra en construcción en la capital británica en Delhi .
  • En el Michael Flynn novedoso en el país de los ciegos , una sociedad secreta que se hace llamar la Sociedad Babbage financió en secreto la construcción de motores de Babbage en el siglo 19. En la novela, la Sociedad utiliza los motores de Babbage junto con una ciencia estadística llamada cliología de predecir y manipular la historia futura. En el proceso, que predicen la llegada de los nazis, y sin querer empezar la Guerra Civil de Estados Unidos.
  • En el Neal Stephenson novela La Edad de diamante , la nanotecnología molecular ubicuo se describe para hacer uso de "lógica de barras" similar a la imaginada por el diseño de Babbage para la máquina analítica.
  • Moriarty por módem , un cuento de Jack Nimersheim, describe una historia alternativa donde la Máquina Analítica de Babbage fue efectivamente completado y se había considerado altamente clasificado por el gobierno británico. Los personajes de Sherlock Holmes y Moriarty habían sido en realidad un conjunto de prototipos de programas escritos para la máquina analítica. Esta breve historia sigue a Holmes como su programa se reinicia en las computadoras modernas y que se ve obligado a competir contra su némesis una vez más en las contrapartes modernas de la Máquina Analítica de Babbage.
  • Una configuración similar se utiliza por Sydney Padua en el webcomic El emocionante aventuras de Lovelace y Babbage . Cuenta con una historia alternativa donde Ada Lovelace y Babbage han construido la máquina analítica y utilizarlo para luchar contra el crimen en la reina Victoria solicitud 's. El cómic se basa en una investigación a fondo sobre las biografías de y correspondencia entre Babbage y Lovelace, que se torció luego por efecto humorístico.
  • Georgia on My Mind es una novela corta por Charles Sheffield que consiste en dos temas principales: la viudez y la búsqueda de un ordenador Babbage legendaria.
  • Hugh Cook novelas de fantasía 's El Wishstone y los Wonderworkers y La Wazir y la bruja cuentan con una máquina analítica creada por el científico Ivan Petrov. Se utiliza para calcular el impuesto sobre la renta.
  • El Brazo de Orión del proyecto en línea cuenta con la Machina Babbagenseii , plenamente consciente Babbage inspiró equipos mecánicos. Cada uno es el tamaño de un gran asteroide, único superviviente capaz en condiciones de microgravedad, y procesa los datos en el 0,5% de la velocidad de un cerebro humano.
  • Las naves de vuelo en el anime Last Exile se considera que tienen motores de análisis dentro de ellos. Aunque algunos tienen la tecnología más avanzada, los barcos comunes utilizar los motores de análisis, e incluso algunos de los buques avanzados se considera que tienen mecanismos de relojería también.
  • Una versión de trabajo de la máquina analítica, creado por el inventor de ficción Ernest Harding (y basado en el concepto de Babbage) se presentó en los misterios Murdoch (también llamado el detective ingenioso), en la Estación 5, episodio 9, Convención invención .

referencias

Bibliografía

enlaces externos