Domů » Články » Od parních počítadel po předvídání výsledků voleb. Počítače jsou s námi déle, než si myslíte

Od parních počítadel po předvídání výsledků voleb. Počítače jsou s námi déle, než si myslíte

U.S. Army (CC0)

Když se řekne první počítač, většina z nás si asi vybaví nějaký sálový počítač ze šedesátých let, někdo možná třeba první Mac nebo ZX Spectrum. Ve skutečnosti však historie počítačů sahá mnohem, mnohem hlouběji do minulosti. Přesně určit, co byl první počítač nebo zmapovat jejich vývoj, proto není vůbec jednoduché.

V dnešním článku se tak podíváme na přehled těch nejvýznamnějších strojů počítačového pravěku, které nás postupně dovedly ke stavu, kdy máme počítač v nějaké formě v podstatě v každém trochu složitějším stroji.

Viktoriánský počítač

Za tvůrce konceptu počítače bývá označován anglický vynálezce, filozof, matematik a také trochu podivín Charles Babbage. Babbage byl velmi všestrannou osobností. Na jedné straně byl členem Královské společnosti, založil Astronomickou společnost a přednášel na Cambridgi, na druhou stranu se však věnoval i úplným malichernostem. Usiloval například o zákaz pouličních flašinetářů, kteří ho obtěžovali, věnoval se statistickým pozorováním vandalů a opilců viktoriánského Londýna a podobně.

Charles Babbage by Antoine Claudet c1847 51 crop
Charles Babbage okolo roku 1850

Již v roce 1822 ve svém dopise adresovaném jinému britskému vědci a experimentátorovi siru Humphrymu Davymu popsal základní teze jakéhosi počítacího stroje. Na tomto stroji zvaném Difference Engine (diferenční stroj) začal dokonce i fyzicky pracovat a ve formě částečného modelu ho prezentoval ostatním členům Královské společnosti, což byla (a je) významná akademická společnost, která hrála nejen ve viktoriánské době velký význam v průmyslovém rozvoji země. Stroj měl být schopen počítat určité typy rovnic tak, že by je postupně derivacemi zjednodušil na sčítací operace a výsledky by tiskl.

Opening George III museum
Rytina z roku 1843 zobrazující otevření Muzea krále Jiřího III. Objekt lehce nalevo od středu je model Analytical Engine.

Babbage měl již určité omezené zkušenosti se stavbou jednodušších počítacích strojů poháněných parou, takže se jeho nápad zdál proveditelný.

Nápad zaujal nejen kolegy akademiky, ale i tehdejší politiky. Vláda mu tak přidělila na svou dobu poměrně vysoký grant pro další rozpracování konceptu. Tehdejší politici si představovali praktické využití především v oblasti navigace na moři a počítání trajektorií dělostřelectva, což by tehdejší Britské impérium dokázalo jistě efektivně využít.

První využití děrných štítků

Programování mělo být řešeno děrnými štítky, což byl nápad, který Babbage „okoukal“ od Francouze Josepha Jacquarda. Tento obchodník a tkadlec totiž začátkem 19. století zásadně zdokonalil a do provozu uvedl systém, který umožňoval takto v podstatě programovat mechanické tkalcovské stavy k vytváření složitých vzorů. Babbage byl ale první, koho napadlo tento systém využít u počítačů.

Babbage Difference Engine
Diferenční stroj v londýnském Science Museum (Zdroj: geni)

Ani přes téměř 10 let trvající vládní financování však Babbage nikdy nedokázal své nákresy zhmotnit do podoby funkčního stroje. Jako hlavní příčina se zpravidla uvádí, že šlo o neuvěřitelně komplexní mechanický stroj používající obrovské množství pohybujících se kovových prvků, které tehdejší výrobci nebyli schopni s požadovanou precizností dodávat. V roce 1991 však byl stroj dle dobových nákresů sestaven londýnským Science Museum, a to údajně za použití technologií a materiálů dostupných v době Babbageova života. Není tak úplně jasné, co reálně dokončení bránilo.

Rozhodně ale nešlo o nějaké Babbageovo lajdáctví. Že se projektu věnoval opravdu s velkým nasazením, dokládá i fakt, že si najal vlastního mistra obráběče, nechal si postavit ohnivzdornou dílnu a vytvořil si na svou dobu velmi inovativní testovací laboratoř, která měla nabídnout bezprašné prostředí. Do projektu investoval i vlastní prostředky.

Přelomový „analytický stroj“

Jisté však je, že se Babbage nenechal tímto neúspěchem odradit. V roce 1832 tak přišel s návrhem nového stroje. Ten se tentokrát jmenoval Analytical Engine (analytický stroj) a šlo o první skutečně univerzální počítač. Alespoň tedy na papíře.

2560px Babbage Analytical Engine Plan 1840 CHM agr
Část plánů analytického stroje (Zdroj: ArnoldReinhold)

Analytický stroj měl být schopen vypočítat jakoukoliv matematickou úlohu. To byl zcela revoluční nápad, stejně tak jako logické rozdělení tohoto stroje. Hlavní části měly být čtyři: mill (mlýn), store (úložiště), reader (čtečka) a printer (tiskárna). Mill měl být samozřejmě „mozkem“, výpočetním centrem, tedy tím, co dnes označujeme jako procesor. Názvy ostatních prvků se v podstatě nezměnily doteď. Tehdy však samozřejmě vše mělo být čistě mechanické a poháněné parou.

Projektu rozhodně nechyběly ambice – například úložiště mělo být schopno uchovávat tisíc padesátimístných čísel, což odpovídá schopnostem, kterých reálně počítače dosáhly asi o 130 let později. Stroj programovatelný děrnými štítky vkládanými do čtečky také měl být schopen pracovat s podmínkami, tedy „pokud je X něco, pak udělej Y, jinak Z“. Tento typ fungování opět neměly ani některé první elektrické počítače.

První programátorka

Zajímavé je, že revolučnost tohoto nápadu si v té době neuvědomoval téměř nikdo. Vláda byla zklamána nedokončením předchozího stroje a o financování nového neměla zájem. Babbage byl vnímán spíše jako teoretický inovátor než skutečný tvůrce užitečných vynálezů. Jeden z mála lidí, kdo si uvědomil genialitu jeho práce, byla Lady Lovelace, celým jménem Augusta Ada King, hraběnka z Lovelace.

Ada Lovelace
Ada Lovelace na portrétu z roku 1836

Tato dcera básníka a spisovatelky jako jedna z mála žen ve viktoriánské Anglii získala matematické vzdělání a aktivně se začala zajímat o práci Charlese Babbage. Ve svých sedmadvaceti letech pak publikovala rozsáhlou vědeckou práci týkající se výjimečnosti analytického stroje, v níž rozvíjela myšlenku, že by jeho konstrukce měla umožňovat věnovat se nejen matematickým problémům, a mluvila v podstatě o tom, co bychom dnes nazvali umělou inteligencí. V dalším pojednání pak pracovala právě se schopností analytického stroje pracovat s podmínkami a vytvořila něco, co lze dnešní terminologií označit za počítačové programy, resp. jejich kód. Ada Lovelace je tak proto někdy označována jako první programátorka v historii.

Diagram for the computation of Bernoulli numbers
Diagram algoritmu navrženého Adou Lovelace v roce 1842

Navzdory tomu, že malá část odborné veřejnosti rozeznala významnost konceptu analytického stroje, nebyl stejně jako diferenční stroj nikdy sestaven. Nenašel se totiž vhodný zdroj financování. Stroj, který svou koncepcí v mnoha ohledech předběhl dobu o více než sto let, tak zůstal čistě jen na papíře. V současnosti existují pokusy dle dobové dokumentace stroj sestavit, podobně jako se to povedlo s diferenčním strojem.

Tabulátor Hermana Holleritha

Zatímco vývoj univerzálních počítačů byl tedy po neúspěchu projektů Charlese Babbage poněkud na druhé koleji, specializované přístroje v určitých ohledech podobné počítačům vznikaly. Jedním z nejvýznamnějších byl tzv. tabulátor.

Ve Spojených státech je dle ústavy nutné provádět sčítání obyvatelstva každých 10 let. Tento požadavek začal být koncem 19. století značně problematický, protože počet obyvatel i zaznamenávaných dat prudce rostl. Již při sčítání v roce 1880 tak byla snaha využít určitou automatizaci. Ta však spočívala prozatím jen v jednoduchém otočném válci s rolí papíru, na níž se skrze malé okénko zapisovaly údaje. Vyhodnocování dat z tohoto sčítání tak trvalo neuvěřitelných osm let. Tím se už samozřejmě celý systém sčítání obyvatelstva začal blížit svému limitu, protože vyhodnocení trvalo téměř tak dlouho, jako byl interval mezi jednotlivými sčítáními.

HollerithMachine CHM
Hollerithův tabulátor (Zdroj: Adam Schuster)

Tohoto problému si všiml při své práci na statistickém úřadě čerstvý absolvent Columbia University School of Mines Herman Hollerith. Okamžitě tak začal pracovat na systému, který by s použitím děrných štítků umožnil celé sčítání výrazně urychlit. V roce 1884 získal první patent na svůj tabulátor – stroj schopný zaznamenávat data na kartičky a údaje pak sčítat.

Děrné štítky a rtuť

Tabulátor fungoval následovně. Kartička byla rozdělena na 12 řádků a 24 sloupců a proražení kruhových děr na určitých průsečících označovalo určité údaje – pohlaví, rodinný stav, věk a podobně. Proděravěná kartička byla následně vložena do stroje, který na ni shora přitlačil na pružinách upevnění elektrody. Ty logicky v místech děr ve štítku prošly skrz a zanořily se tak do příslušné nádobky s rtutí umístěné v rastru odpovídajícímu vzoru karet. Tím došlo k vodivému spojení a stroj přičetl danou hodnotu.

Hollerith Punched Card
Děrný štítek používaný tabulátorem k zaznamenávání jednotlivých údajů

Funkčnost konceptu ověřil Hollerith při organizaci zdravotních záznamů v několika velkých městech USA a nakonec získal kontrakt pro technické zajištění sčítání obyvatelstva v roce 1890. To bylo úspěšné a data díky jeho vynálezu byla vyhodnocena o celé dva roky dříve a za méně peněz, než počítal rozpočet. To byl obrovský úspěch. Tabulátor zaujal i v Evropě a Hollerith tak získal i různé zahraniční kontrakty, například v Rusku. To vedlo až k založení společnosti Tabulating Machine Company, která se později spolu s dalšími podniky přetvořila v IBM.

Cesta k prvním moderním počítačům

Závěrem 19. století pokračoval technický pokrok i v dalších oblastech. V roce 1874 začal Remington prodávat první komerčně dostupný psací stroj, v 80. letech pak přišlo velké rozšíření kalkulaček.

Ty byly sice omezeně používány v komerčním sektoru již od dvacátých let 19. století, nicméně až závěrem 80. let získaly schopnosti jako pracovat s mezivýsledky nebo si pamatovat historické výsledky. Na přelomu 19. a 20. století tak už byly pokročilé kalkulačky běžnou součástí obchodního styku. Společnosti zabývající se jejich výrobou slavily alespoň v případě USA úspěchy.

predvidani prilivu pocitac
Nákres Thomsonova stroje na předvídání přílivu

Počátkem 20. století pak začaly vznikat přístroje, které nazýváme analogovými počítači. Šlo o mechanické (později elektromechanické) stroje, přičemž za jejich předchůdce bývá označován stroj na předvídání přílivu vyvinutý již v roce 1872 sirem Williamem Thomsonem. Ten s využitím táhel a ozubených koleček dokázal spočítat hladinu moře v určité lokaci v určitý čas, což umožnilo mnohem bezpečnější navigaci lodí v mělkých vodách.

Jak už tomu tak bývá, první rozvoj těchto technologií souvisel s armádními potřebami. Výkon dělostřelectva na přelomu století významně stoupl a dostřel již byl takový, že ruční výpočty trajektorií střel začaly být problematické. Vzhledem k době letu dělostřeleckého granátu navíc začalo být nutné brát v úvahu také efekty počasí, odporu vzduchu a podobně.

V roce 1912 tak přišel britský konstruktér Arthur Pollen s elektricky poháněným mechanickým analogovým počítačem zvaným Argo Clock. Ten dokázal na základě údajů od pozorovatelů vypočítat správné nastavení děl pro zasažení vzdálených cílů. To využilo v první světové válce ruské carské námořnictvo. Britské dalo přednost konkurenčnímu systému Dreyer Table, který začal být na válečné lodě Britského impéria osazován v roce 1912.

V letectví „donedávna“

Elektromechanické počítače pro řízení palby doznaly dalšího vývoje s rozvojem letectví, které se v omezené míře stalo zbraní už v první světové válce. Takzvaný Drift Sight vyvinutý Harrym Wimperisem v roce 1916 tak umožnil britským a americkým letcům spočítat trajektorii shozené bomby včetně zahrnutí efektu aktuálního větru.

US Army AF Drift Sight Mk I on DH4
Drift Sight Mk. I namontovaný na letadle Airco DH.4 během první světové války

Tento koncept byl mimochodem rozvíjen až překvapivě dlouho a pokročilé elektromechanické analogové počítače byly jako automatizované zaměřovače využívány ještě za války v Koreji a Vietnamu. Jedním z nejpokročilejších zástupců tohoto druhu byl americký bombový zaměřovač Norden, který dokázal kontinuálně přepočítávat trajektorii bomby dle aktuální rychlosti letadla, větru a dalších parametrů. Použit byl i na bombardéru Boeing B-29 Enola Gay, který provedl první atomové bombardování v historii.

enola gay norden
Bombový zaměřovač Norden u letadla Enola Gay (Zdroj: Ted H. Lambert)

Jakkoliv tedy ještě nešlo o skutečně univerzální počítače, šlo už o velmi pokročilé stroje schopné pracovat s poměrně širokou škálou vstupních dat. Zatímco první varianty z počátku první světové války ještě vyžadovaly manuální nastavení a šlo v podstatě o mechanické strojky, vrcholné varianty z konce druhé světové války již byly integrovanými elektricky poháněnými přístroji schopnými fungovat do značné míry autonomně.

První digitální elektronické počítače

Limitace analogových elektromechanických počítačů začaly být brzy patrné a už ve 30. letech 20. století se tak experimentovalo s možnostmi, jak problematické mechanické součásti nahradit elektronikou. Vývoj probíhal paralelně v Německu, Británii i USA, přičemž výzkumníci z Německa neměli kvůli horšící se geopolitické situaci příliš kontakt se svými angloamerickými kolegy a výzkum tak byl do značné míry oddělený.

Za první digitální elektronický počítač bývá někdy označován stroj IBM z roku 1940, který byl plně elektronický: ovládání, počítání i výstup byly totiž vybaveny jednoduchým displejem. Známější je však pravděpodobně tzv. ABC – Atanasoff-Berry Computer z roku 1942. Ten byl ještě částečně elektromechanický, ale používal už okolo 300 elektronek, které se staly pro tuto generaci počítačů základní komponentou, a v tomto ohledu byl tedy přelomový. Jinak však šlo o poměrně obskurní stroj určený pouze k řešení lineárních rovnic.

Colossus pocitac
Počítač Colossus Mk. 2 během válečné služby v roce 1943

Velký rozvoj počítačů pak přišel v první polovině 40. let spolu s potřebou prolomit složité německé šifry. Na přelomu let 1943 a 1944 tak v Británii vznikl Colossus – první programovatelný elektronický digitální počítač na světě. Stále sice nešlo o zcela univerzální počítač (byť byl schopen provádět i jiné úkoly než prolamování šifer), ale pro spojence měl zásadní roli. Schopnost díky němu získat přístup k šifrované komunikaci nejvyššího německého velení byla zcela klíčová. Počítač obsahoval přes 1800 elektronek a v britském Bletchey Parku jich do konce války vzniklo v různých variantách hned několik. Šlo o tak přelomovou technologii, že po válce byly tyto stroje na osobní příkaz Winstona Churchilla rozebrány na nejmenší součástky a většina informací o nich tajena až do 70. let minulého století.

ENIAC

V roce 1943 začal ve Spojených státech paralelně vznikat také ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Dnes je označován za první programovatelný digitální univerzální počítač, ovšem původně měl být poměrně úzce zaměřen. Vývoj a stavbu si totiž objednala u University of Pennsylvania americká armáda a související agentury s cílem získat stroj pro přesné a rychlé výpočty palebných trajektorií dělostřelectva. Financování bylo štědré – v dnešních penězích by šlo asi o 160 milionů korun – a ENIAC skutečně předpoklady armády naplnil. Za 30 sekund dokázal spočítat úkol, který by jednomu člověku trval 20 hodin, a jako celek nahradil skoro 2500 lidí.

Classic shot of the ENIAC
ENIAC v roce 1946 v Moore School of Electrical Engineering

Jediný problém byl, že dokončen byl až koncem roku 1945, a to už bylo samozřejmě po válce. Když ho armáda oficiálně v červenci 1946 převzala, k původnímu úkolu už ho tak nepotřebovala. Protože však šlo o skutečně univerzální a programovatelný počítač, nebyl to zase takový problém. Pravda, programování fyzickým přepojováním kabelů jako ve staré telefonní ústředně nebylo zrovna praktické (trvalo několik dní), ale když už bylo naprogramováno, přenos dat byl zcela elektronický. Odpadlo tak pomalé a limitující používání děrných štítků, pásek a podobných mechanických prvků.

Gigantický stroj

Prvním úkolem, k němuž byl ENIAC využit, byly výpočty pro konstrukci termonukleární bomby. ENIAC byl ve své době nejvýkonnějším počítačem na světě. Během jedné sekundy dokázal provést 5000 operací, což bylo řádově rychlejší než předchozí elektromechanické stroje. Dokázal pracovat i s podmínkami, díky čemuž si dokázal autonomně poradit i s náročnými problémy. Nevýhodou však byly monstrózní rozměry.

ENIAC zabíral v půdorysu písmene U 15 × 9 m ve sklepě univerzity, kde vznikl, a vážil přes 30 tun. Při svém běhu spotřebovával 150 kW elektřiny, což se projevovalo na viditelném pohasnutí pouličního osvětlení v okolí univerzity. Tvořilo ho okolo 18 tisíc elektronek, 70 tisíc rezistorů, 10 tisíc kondenzátorů a 6 tisíc spínačů. To vše bylo spojeno více než pěti miliony ručně letovaných spojů.

Eniac
Rozměry ENIACu byly skutečně nezanedbatelné…

Zásadní nevýhodou této konstrukce byla nízká spolehlivost. V prvních letech běhu denně vyhořelo několik vakuových elektronek, takže ENIAC byl zhruba polovinu času nefunkční. Postupně se povedlo optimalizovat běh a použít kvalitnější elektronky, takže k selhání docházelo průměrně již jen obden. Nejdelší zaznamenaná doba kontinuálního běhu činila 116 hodin.

ENIAC byl v provozu do roku 1955 a nikdy nebylo vytvořeno více kusů. Přesto, že šlo o revoluční design a první univerzální počítač na světě, náročnost jeho programování i provozu byla problematická. Část konstrukčních problémů lze přičíst tomu, že vznikal za války a fáze návrhu byla urychleně ukončena.

Raný poválečný vývoj

Jakkoliv byly britský Colossus a americký ENIAC přelomovými počítači, stále šlo o produkt válečného průmyslu. Britové potřebovali prolamovat šifry, Američané chtěli počítat trajektorie dělostřelectva a objednatelem byla v obou případech armáda, která pochopitelně tlačila na rychlé dokončení. Nebyl tedy moc prostor pro skutečně nové koncepce. Ačkoliv oba počítače znamenaly ve své době revoluci, ideově měly vlastně mnoho společného s Babbageho viktoriánskými pokusy, pouze přenesenými do elektronické formy.

Až s koncem války se tedy mohly začít rozvíjet další prvky potřebné pro budoucí moderní počítače. Zásadním přelomem ve vnímání počítačů byla vědecká práce „Předběžná diskuze o logickém designu elektronického výpočetního přístroje“, publikovaná v roce 1946 kolektivem autorů v čele s Johnem von Neumannem. Jednou z představených myšlenek byla úvaha, že program by měl být stejně jako data uložen na vnitřním úložišti a být tak modifikovatelný jinými instrukcemi. To sice nebyla úplně nová myšlenka, ale dříve byla odmítána jako příliš nebezpečná.

manchester baby
Rekonstrukce Manchester Baby v Museum of Science and Industry (Zdroj: Parrot of Doom)

Výsledkem tak byl vznik prvních programovatelných počítačů. To je odborný termín, programovatelné samozřejmě byly i stroje jako ENIAC, nicméně programování tehdy znamenalo fyzické přepojování kabelů či třeba vkládání děrných štítků. V programovatelném počítači jsou instrukce zaznamenávány elektronicky v paměti. To samozřejmě výrazně usnadňuje programování a zvyšuje efektivitu provozu.

Na základě tezí z této práce vznikl v roce 1948 na univerzitě v Manchesteru prototyp zvaný Manchester Baby. Šlo o primitivní počítač, v podstatě jen demonstraci proveditelnosti teoretických tezí. Už o rok později však na jeho základě vznikl funkční Manchester Mark 1. Na něm byl v roce 1949 spuštěn program pro hledání Mersennových prvočísel, který běžel bez chyby a vnějšího zásahu více než devět hodin. O tomto úspěchu široce informovala britská mainstreamová média a počítač s elektronicky uloženým programem nazývala „elektronickým mozkem“.

První moderní komerční počítače

Na základě Manchesteru Mark I na objednávku britské vlády vytvořila společnost Ferranti svůj počítač Mark I, který se stal prvním komerčně vyráběným univerzálním programovatelným počítačem. Prodalo se sice jen devět kusů, nicméně vše nějak začíná. Tým společnosti Ferranti navíc přišel s další významnou inovací, kterou byla možnost upravovat instrukce za běhu programu.

Museum of Science Boston univac
Ovládací panel počítače UNIVAC I v Museum of Science v Bostonu

Ve Spojených státech ve stejné době vznikal UNIVAC, taktéž programovatelný počítač s programem uloženým v elektronické paměti. Částečně vycházel ze zkušeností s ENIACem, nicméně vzhledem k jiné architektuře byl pochopitelně v mnoha ohledech velmi odlišný. Programování už tedy neprobíhalo přepojováním kabelů, ale zápisem kódu operátorem pomocí psacího stroje. Výstup pak byl zaznamenáván na magnetický pásek, z nějž byl na samostatném přístroji tisknut do čitelné podoby.

Univac I at Census Bureau with two operators
UNIVAC při práci s daty ze sčítání obyvatelstva v roce 1960

UNIVAC byl zamýšlen podobně jako Ferranti Mark I. pro komerční sektor a měl nahradit stávající účetní stroje používající děrné štítky. Prodáno jich bylo nakonec 46 a použit byl i statistickým úřadem pro sčítání obyvatelstva v USA. Zajímavé je, že u některých zákazníků (včetně onoho statistického úřadu) zůstal ve službě až do 60. let, v případě jedné pojišťovny dokonce až do roku 1970. Vzniklo také určité příslušenství, jako třeba čtečka děrných štítků. Tu si vynutili zákazníci, kteří potřebovali svá historická data na děrných štítcích nějak dostat do nového počítače používajícího magnetické pásky.

UNIVAC I
UNIVAC I ve službách Franklin Life Insurance Company

Do všeobecné známosti se dostal mimo jiné tím, že ho stanice CBS použila k předpovědi výsledku amerických prezidentských voleb v roce 1952. UNIVAC přitom správně předpověděl rozhodné vítězství Eisenhowera. A to přesto, že renomované agentury předpokládaly mnohem těsnější výsledek. CBS proto původně předpokládala, že UNIVAC nefunguje.

Začátkem 50. let tedy začala pravá počítačová revoluce. Počítače již nebyly jen záležitostí snílků, armády či univerzit, ale začaly být vnímány jako užitečný nástroj pro komerční sféru. Dalším krokem pak bylo rozšíření mezi běžné obyvatelstvo, na což se podíváme zase příště.

Tomáš Krompolc

Fanoušek Androidu, Googlu a moderních technologií. Rád si poslechne tvrdší hudbu a mezi jeho nejoblíbenější seriály patří ty z produkce Netflixu. V současné době je spokojeným majitelem telefonu OnePlus 6.

Napište komentář

Redakce si vyhrazuje právo mazat komentáře, které nesouvisejí s tématem diskuze, nebo jsou útočného či urážlivého charakteru (pomluvy, vulgarity, rasismus či ponižování). V případě porušení těchto pravidel chování může redakce zakázat přístup do diskuze.

Odeslané komentáře jsou strojově kontrolovány (spam, nevhodné výrazy…).