Historie počítačů I. Od antiky po Johna von Neumanna
Počítač dnes najdete v každé kanceláři a v bohatší části světa i ve většině domácností. Kdy začala jejich historie?
Není to tak dlouho, co bylo používání počítačů výhradní doménou vojáků, špičkových vědeckých a výzkumných ústavů, velkých průmyslových podniků nebo obchodních společností. Ještě před nějakými třiceti lety bylo skoro nemyslitelné, že by někdo mohl mít svůj vlastní počítač doma. Dnes je závislost na počítačích nemocí nové doby. Spousta lidí si život bez nich vůbec neumí představit. Cesta k nim začala vlastně už v antice.
O historii počítačů jsme si povídali s Miroslavem Viriusem z Katedry softwarového inženýrství v ekonomii Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze a Děčíně, kde přednáší programování, programovací techniky a algoritmy. Spolupracuje také s Evropskou organizací pro jaderný výzkum CERN ve Švýcarsku, a to v oblasti softwarového zabezpečení. Naše povídání ovšem začneme v dobách, kdy neexistoval nejen CERN, ale dokonce ani samotné Švýcarsko.
Jak už jsem naznačil, vrátíme se do antiky. Počítače v dnešním slova smyslu tehdy pochopitelně neexistovaly. Ale nejrůznější počítací pomůcky už známé byly?
„Ty jsou ve skutečnosti daleko starší. Pokud vím, tak už v Dolních Věstonicích se našla nějakých 25 000 let stará kost, na které jsou zářezy, které sloužily nějakým způsobem k počítání. Nicméně pokud jde o ty staré Řeky, tak u nich jsou doložené počítací pomůcky, a to poměrně komplikované – astroláby, čili zařízení, která sloužila k předpovídání poloh nebeských těles, fází Měsíce a podobně. V muzeu v Athénách je uloženo zařízení, které mělo právě takovýhle účel. Takže ano – staří Řekové už poměrně pokročilé nástroje pro tohle měli. Jestli byli sami, nevím, možná že v Persii a v přilehlých říších se dělo něco podobného.“
O starých Řecích se dokonce říká, že „vynalezli“ samotnou vědu?
„Technika je strašně stará, lidé pozorovali, jak se věci chovají a co se s nimi děje a na základě toho používali různá zařízení. Ale staří Řekové udělali jeden obrovský krok. Někdy kolem roku 500 př.n.l. začali vytvářet teorie a ty začali ověřovat, jestli platí. Snažili se je vyvrátit, přestali myslet v dogmatech – támhleto udělal nějaký bůh a všichni si musí povinně myslet, že to udělal ten bůh. To u Řeků najednou padlo. A to byl obrovský krok směrem k myšlení v dnešním smyslu, vědeckému myšlení. To se samozřejmě muselo odrazit i v technice a také v nárocích na myšlení a tudíž i na pomůcky, které si lidé k tomu dělali, protože počítání je poměrně mechanická záležitost a pomůcky se k tomu zkonstruovat dají. Počítadlo zná každý, to je velice starý vynález a v mnoha částech světa se používá dodnes i v obchodech, ale oni dokázali vymyslet i daleko složitější věci. Dokázali na základě svého pozorování změřit poloměr Země, vzdálenost Země od Měsíce, velikost Měsíce, vzdálenost Slunce a velikost Slunce, a to s chybou nějakých 20 procent, což je neuvěřitelné. K počítání, které kolem toho bylo, samozřejmě používali pomůcky.“
Pomůcky, používané matematiky v antice, přežily v nepříliš změněné podobě až do počátku novověku. Na začátku 17. století pak spatřil světlo světa další velký pomocník, který zůstal ve výbavě mnoha počtářů až hluboko do druhé poloviny minulého století – logaritmické pravítko.
„Logaritmické pravítko je založeno na logaritmech. Logaritmy objevil John Napier kolem roku 1615 a sám pak na sklonku života vymyslel zařízení, kterému se říkalo Napierova kost, nebo kosti, které sloužily k mechanickému sčítání logaritmů. Logaritmus, to je matematická funkce, která má jednu zajímavou vlastnost – logaritmus součinu se dá spočítat jako součet logaritmů, čili tato funkce převádí násobení na sčítání. A mechanicky sčítat – položíte vedle sebe dvě různě dlouhá pravítka a dostanete pravítko, jehož délka je součtem. A když to uděláte s logaritmy, tak máte pravítko, jehož délka je součtem nějakých logaritmů a tedy vyjadřuje násobek. Násobení je podstatně složitější operace než sčítání, když to má člověk dělat ‚ručně‘. Takže se toho lidé chopili velice rychle a už kolem roku 1620-21 bylo zkonstruováno první logaritmické pravítko v dnešním smyslu – dvě posuvné stupnice s logaritmy, pomocí kterých se násobilo. Já sám jsem se s logaritmickým pravítkem učil počítat ještě na začátku 70. let na gymnáziu. Zhruba tříprocentní přesnost pro běžné výpočty byla naprostou samozřejmostí.“
Teď si v našem rozhovoru odskočíme až na práh 19. století. Právě tehdy se objevila zajímavá odnož vývoje, směřujícího k dnešním počítačům – děrnoštítkové přístroje, které se používaly k řízení samočinných tkalcovských stavů. Jak to fungovalo?
„Pokud je mně známo, tak první děrnoštítkový tkalcovský stav zkonstruoval Francouz Joseph Marie Jacquard roku 1801. Funguje to poměrně jednoduše – tedy základní princip samozřejmě, technické provedení je naopak poměrně komplikované. Děrný štítek, to je deska, ve které jsou nebo nejsou na jistých místech díry. Když se to zasune do stroje, tak nějaké zařízení zkusí, jestli tam ta díra je a podle toho se změní nastavení jednotlivých součástí, které tkají nějaký obraz. Zajímavé na tom je, že tenhle pán byl vlastně možná první programátor, protože on vytvořil program pro vytkání své vlastní podobizny. Znamenalo to 10 000 děrných štítků. To není jednoduchá záležitost.“
Děrné štítky přežily hluboko do 20. století, nejen u tkalcovských stavů, a zcela nevymizely dodneška. Neobešly se bez nich ani počítače. Až do této chvíle jsme se bavili především o pomůckách, které usnadňovaly matematikům „ruční práci“ s počítáním. Kdy se objevily první opravdové počítací stroje? Prý o nich přemýšlel už Leonardo da Vinci?
„Ano, ale zachovaly se jen nějaké poznámky na to téma. Potom o nich přemýšlel Wilhelm Schickard, to je začátek 17. století. Zachovaly se nákresy něčeho, čemu říkal ‚počítací hodiny‘. Určitě se zachovaly počítací přístroje od Blaise Pascala, což byl francouzský matematik, fyzik, filosof – ještě taková renesanční osobnost, který toho stíhal velmi mnoho. Jeho otec byl, jak se v pramenech uvádí, matematik, výběrčí daní. V každém případě potřeboval počítat. Jeho syn tedy zkonstruoval zařízení, nazvané po něm Pascalina, které umožňovalo mechanicky sčítat i násobit. Vyrobil toho asi 50 kusů, kolem roku 1640, a některé z nich se po různých muzeích dochovaly do dneška. Je to zajímavé zařízení, ale bohužel jsem neměl možnost vidět jeho vnitřek.“
Na Blaise Pascala navázal v druhé polovině 17. století Gottfried Wilhelm Leibnitz. Na základě jeho počítacího stroje byl v roce 1820 vytvořen první sériově vyráběný kalkulátor – Thomasův arithmometr. To všechno byly mechanické kalkulátory, které ke svému provozu nepotřebovaly elektrickou energii. Ta je ale pro provoz současných počítačů zásadní... nebo snad ne?
„Já bych si dovolil říct, že elektřina není to hlavní a zásadní. Už dříve byl navržen, i když ne zkonstruován, počítač v dnešním smyslu, který byl plně mechanický. To je začátek 19. století a Charles Babbage ve Velké Británii. A když jsme u toho – někdy v 80. letech 20. století skupina studentů na jedné americké univerzitě postavila zcela mechanický počítač ze stavebnice podobné našemu Merkuru. Zabrali tím celé baseballové hřiště, ale bylo to schopný počítač. Takže elektřina není úplně zásadní.“
Počítače jak je známe dnes svou podstatou na přísunu elektrické energie závisí a bez ní jednoduše pracovat nemohou. První stroje, které začaly počítat s elektřinou, se objevily v Německu v polovině 30. let minulého století. Zařízení Konráda Zuseho fungovala díky telefonním relé a podle Miroslava Viriuse se používala např. pro výpočty trajektorií raket V2.
Na jakých principech vůbec počítače fungují?
„Nejjednodušší principy jsou poměrně triviální. Když si představíte dva vypínače na jednom drátu za sebou, tak aby skrz ně protekl proud, musí být oba zapnuté. Když si představíte dva dráty vedle sebe a na každém z nich vypínač, tak aby skrz tohle protekl proud, tak musí být alespoň jeden vypínač zapnutý. To jsou dvě základní logické funkce. A když si představíte vypínač, který ovládáte elektrickým proudem a když ten ovládací proud teče, vypínač je vypnutý nebo naopak, tak dostanete další logickou funkci – negaci. A z těch tří už se dá postavit jakákoliv logická funkce. Počítač v dnešním smyslu z určitého pohledu není nic jiného, než zařízení, které počítá nějaké logické funkce. Takže k tomu je potřeba dodat ještě něco, co bude říkat – teď něco spočítej, teď udělej krok... Taktovací frekvenci. To jsou potom trošičku složitější obvody.“
Během druhé světové války vývoj počítačů neobyčejně pokročil. A brzy po válce došlo k dalšímu zlomu. Mechanicky nespolehlivá elektromagnetická relé byla vytlačena elektronkami. Ty byly podle Miroslava Viriuse spolehlivější, ale zase velmi hřály, takže je bylo nutné intenzivně chladit. Počítací zařízení poválečné doby, např. slavný ENIAC, bylo vždy velmi těžké a zabíralo spoustu místa. Další významný krok ve vývoji počítačů udělal John von Neumann – byl první, kdo si uvědomil, že program jsou také data, která se dají skladovat v paměti počítače. Zrodilo se tzv. von Neumannovo schéma a s ním i počítače dnešního typu.
A právě von Neumannovým schématem, kterým začala další éra v historii počítačů, začne i druhá část našeho rozhovoru s Miroslavem Viriusem z Katedry softwarového inženýrství v ekonomii Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Budeme se bavit o tranzistorové revoluci, československém počítači SAPO, o počátcích stolních počítačů a také třeba o internetu. Příště.
Vysíláno v Planetáriu č. 04/2012, 21. - 27. ledna.
Přepis: NEWTON Media, a.s., redakčně doplněno a upraveno.
Více z pořadu
E-shop Českého rozhlasu
Kdo jste vy? Klára, nebo učitel?
Tereza Kostková, moderátorka ČRo Dvojka
Jak Klára obrátila všechno vzhůru nohama
Knížka režiséra a herce Jakuba Nvoty v překladu Terezy Kostkové předkládá malým i velkým čtenářům dialogy malé Kláry a učitele o světě, který se dá vnímat docela jinak, než jak se píše v učebnicích.
