Moteur analytique

Le moteur analytique était un ordinateur mécanique polyvalent proposé conçu par le mathématicien anglais et pionnier de l’informatique Charles Babbage . ^{[2] [3]} Il a été décrit pour la première fois en 1837 comme le successeur du Moteur de différence de Babbage , qui était une conception pour une calculatrice mécanique plus simple. ^[4]

Partie de la machine à calculer avec un mécanisme d’impression de la machine analytique, construite par Charles Babbage, telle qu’exposée au Science Museum (Londres) ^[1]

Le moteur analytique incorporait une unité logique arithmétique , un flux de contrôle sous forme de Branchement conditionnel et de boucles , et une mémoire intégrée , ce qui en faisait la première conception d’un ordinateur à usage général qui pourrait être décrit en termes modernes comme Turing-complet . ^{[5] [6]} En d’autres termes, la structure logique du moteur analytique était essentiellement la même que celle qui a dominé la conception informatique à l’ère électronique. ^[3] Le moteur analytique est l’une des réalisations les plus réussies de Charles Babbage.

Babbage n’a jamais été en mesure d’achever la construction de l’une de ses machines en raison de conflits avec son ingénieur en chef et d’un financement insuffisant. ^{[7] [8]} Ce n’est qu’en 1941 que Konrad Zuse a construit le premier Ordinateur polyvalent, Z3 , plus d’un siècle après que Babbage eut proposé le moteur analytique pionnier en 1837. ^[3]

Concevoir

Deux types de cartes perforées utilisées pour programmer la machine. Au premier plan : les « cartes opérationnelles », pour la saisie des consignes ; arrière-plan : ‘cartes variables’, pour la saisie de données

La première tentative de Babbage sur un dispositif informatique mécanique, le Difference Engine , était une machine à usage spécial conçue pour tabuler les logarithmes et les fonctions trigonométriques en évaluant les différences finies pour créer des polynômes approximatifs . La construction de cette machine n’a jamais été achevée; Babbage a eu des conflits avec son ingénieur en chef, Joseph Clement , et finalement le gouvernement britannique a retiré son financement du projet. ^{[9] [10] [11]}

Au cours de ce projet, Babbage s’est rendu compte qu’une conception beaucoup plus générale, le moteur analytique, était possible. ^[9] Le travail sur la conception du moteur analytique a commencé en c. 1833. ^{[12] [4]}

L’entrée, composée de programmes (“formules”) et de données, ^{[13] [9]} devait être fournie à la machine via des cartes perforées , méthode utilisée à l’époque pour diriger des métiers mécaniques tels que le Métier Jacquard . ^[14] Pour la sortie, la machine aurait une imprimante, un traceur de courbes et une cloche. ^[9] La machine serait également capable de poinçonner des numéros sur des cartes à lire plus tard. Il utilisait une arithmétique à virgule fixe en base 10 ordinaire. ^[9]

Il devait y avoir un magasin (c’est-à-dire une mémoire) capable de contenir 1 000 nombres de 40 chiffres décimaux ^[15] chacun (environ 16,6 ko ). Une unité arithmétique (le “moulin”) serait capable d’effectuer les quatre Opérations arithmétiques , plus des comparaisons et éventuellement des racines carrées . ^[16] Initialement (1838), il a été conçu comme un Moteur de différence recourbé sur lui-même, dans une disposition généralement circulaire, avec le long magasin sortant d’un côté. ^[17] Les dessins postérieurs (1858) dépeignent une disposition de grille régularisée. ^[18] Comme l’ unité centrale de traitement (CPU) d’un ordinateur moderne, l’usine s’appuierait sur sonpropres procédures internes , à stocker sous la forme de chevilles insérées dans des tambours rotatifs appelés “tonneaux”, pour exécuter certaines des instructions les plus complexes que le programme de l’utilisateur pourrait spécifier. ^[7]

Le langage de programmation à employer par les utilisateurs s’apparentait aux langages d’assemblage modernes . Les boucles et les branchements conditionnels étaient possibles, et donc le langage tel qu’il était conçu aurait été Turing-complet tel que défini plus tard par Alan Turing . Trois types différents de cartes perforées ont été utilisés: un pour les Opérations arithmétiques, un pour les constantes numériques et un pour les opérations de chargement et de stockage, transférant des nombres du magasin à l’unité arithmétique ou inversement. Il y avait trois lecteurs distincts pour les trois types de cartes. Babbage a développé une vingtaine de programmes pour le moteur analytique entre 1837 et 1840, et un programme plus tard. ^{[14] [19]} Ces programmes traitent les polynômes, les formules itératives, l’élimination gaussienne, et Nombres de Bernoulli . ^{[14] [20]}

En 1842, le mathématicien italien Luigi Federico Menabrea a publié une description du moteur en français, ^[21] basée sur les conférences que Babbage a données lors de sa visite à Turin en 1840. ^[22] En 1843, la description a été traduite en anglais et largement annotée par Ada Lovelace , qui s’était intéressé au moteur huit ans plus tôt. ^[13] En reconnaissance de ses ajouts à l’article de Menabrea, qui comprenait un moyen de calculer les Nombres de Bernoulli à l’aide de la machine (largement considérée comme le premier programme informatique complet), elle a été décrite comme la première programmeuse informatique .

Construction

Moulin à moteur analytique de Henry Babbage , construit en 1910, ^[23] au Science Museum (Londres)

Tard dans sa vie, Babbage a cherché des moyens de construire une version simplifiée de la machine et en a assemblé une petite partie avant sa mort en 1871. ^{[1] [7] [24]}

En 1878, un comité de l ‘ Association britannique pour l’avancement des sciences a décrit le moteur analytique comme “une merveille d’ingéniosité mécanique”, mais a recommandé de ne pas le construire. Le comité a reconnu l’utilité et la valeur de la machine, mais n’a pas pu estimer le coût de sa construction et n’était pas sûr que la machine fonctionnerait correctement après sa construction. ^{[25] [26]}

Par intermittence de 1880 à 1910, ^[27] le fils de Babbage, Henry Prevost Babbage, construisait une partie de l’usine et de l’appareil d’impression. En 1910, il était capable de calculer une liste (défectueuse) de multiples de pi . ^[28] Cela ne constituait qu’une petite partie de l’ensemble du moteur; il n’était pas programmable et n’avait pas de stockage. (Les images populaires de cette section ont parfois été mal étiquetées, ce qui implique qu’il s’agissait de l’ensemble du moulin ou même du moteur entier.) Le “Analytical Engine Mill” de Henry Babbage est exposé au Science Museum de Londres. ^[23] Henry a également proposé de construire une version de démonstration du moteur complet, avec une plus petite capacité de stockage : “peut-être que pour une première machine, dix (colonnes) feraient l’affaire, avec quinze roues chacune”.Une telle version pourrait manipuler 20 nombres de 25 chiffres chacun, et ce qu’on pourrait lui dire de faire avec ces nombres pourrait encore être impressionnant. “Ce n’est qu’une question de cartes et de temps”, écrivait Henry Babbage en 1888, “… et il n’y a aucune raison pour que (vingt mille) cartes ne soient pas utilisées si nécessaire, dans une Machine Analytique aux fins du mathématicien “. ^[29]

En 1991, le London Science Museum a construit un spécimen complet et fonctionnel du Moteur de différence n ° 2 de Babbage , une conception qui incorporait les raffinements découverts par Babbage lors du développement du moteur analytique. ^[5] Cette machine a été construite en utilisant des matériaux et des tolérances d’ingénierie qui auraient été disponibles pour Babbage, étouffant la suggestion que les conceptions de Babbage n’auraient pas pu être produites en utilisant la technologie de fabrication de son temps. ^[30]

En octobre 2010, John Graham-Cumming a lancé une campagne «Plan 28» pour collecter des fonds par «souscription publique» afin de permettre une étude historique et académique sérieuse des plans de Babbage, en vue de construire et de tester ensuite une conception virtuelle entièrement fonctionnelle qui sera ensuite permettent à leur tour la construction du moteur analytique physique. ^{[31] [32] [33]} En mai 2016, la construction réelle n’avait pas été tentée, car aucune compréhension cohérente ne pouvait encore être obtenue à partir des dessins de conception originaux de Babbage. En particulier, il n’était pas clair s’il pouvait gérer les variables indexées nécessaires au programme Bernoulli de Lovelace. ^[34]En 2017, l’effort “Plan 28” a signalé qu’une base de données consultable de tout le matériel catalogué était disponible et qu’un premier examen des volumineux Scribbling Books de Babbage avait été achevé. ^[35]

De nombreux dessins originaux de Babbage ont été numérisés et sont accessibles au public en ligne. ^[36]

Jeu d’instructions

Schéma de plan de la machine analytique de 1840

Babbage n’est pas connu pour avoir écrit un ensemble explicite d’instructions pour le moteur à la manière d’un manuel de processeur moderne. Au lieu de cela, il a montré ses programmes sous forme de listes d’états pendant leur exécution, montrant quel opérateur était exécuté à chaque étape avec peu d’indications sur la façon dont le flux de contrôle serait guidé.

Allan G. Bromley a supposé que le jeu de cartes pouvait être lu dans les sens avant et arrière en fonction de la ramification conditionnelle après avoir testé les conditions, ce qui rendrait le moteur Turing-complet :

… les cartes pourraient être ordonnées d’avancer et de reculer (et donc de boucler) … ^[14]

L’introduction pour la première fois, en 1845, d’opérations utilisateur pour une variété de fonctions de service, y compris, surtout, un système efficace pour le contrôle utilisateur des boucles dans les programmes utilisateur. Il n’y a aucune indication sur la manière dont le sens de rotation de l’opération et des cartes variables est spécifié. En l’absence d’autres preuves, j’ai dû adopter l’hypothèse minimale par défaut selon laquelle les cartes d’opération et de variable ne peuvent être retournées que dans la mesure nécessaire pour implémenter les boucles utilisées dans les exemples de programmes de Babbage. Il n’y aurait aucune difficulté mécanique ou de microprogrammation à placer la direction du mouvement sous le contrôle de l’utilisateur. ^[37]

Dans leur émulateur du moteur, Fourmilab dit :

Le lecteur de carte du moteur n’est pas contraint de traiter simplement les cartes dans une chaîne les unes après les autres du début à la fin. Il peut, en outre, dirigé par les cartes mêmes qu’il lit et conseillé par l’activation ou non du levier d’accélération du moulin, soit avancer la chaîne de cartes vers l’avant, en sautant les cartes intermédiaires, soit vers l’arrière, provoquant le traitement des cartes précédemment lues une fois. de nouveau.

Cet émulateur fournit un ensemble d’instructions symboliques écrites, bien qu’il ait été construit par ses auteurs plutôt que basé sur les œuvres originales de Babbage. Par exemple, un programme factoriel s’écrit :

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

où le CB est l’instruction de Branchement conditionnel ou “carte de combinaison” utilisée pour faire sauter le flux de contrôle, dans ce cas en arrière de 11 cartes.

Influence

Influence prévue

Babbage a compris que l’existence d’un ordinateur automatique éveillerait l’intérêt pour le domaine désormais connu sous le nom d’ efficacité algorithmique , écrivant dans ses Passages de la vie d’un philosophe , “Dès qu’un moteur analytique existera, il guidera nécessairement le cours futur du Chaque fois qu’un résultat est recherché à l’aide de son aide, la question se posera alors : par quelle voie de calcul la machine peut-elle arriver à ces résultats dans le plus court laps de temps ? ^[38]

L’informatique

À partir de 1872, Henry a poursuivi avec diligence le travail de son père, puis par intermittence à la retraite en 1875. ^[39]

Percy Ludgate a écrit sur le moteur en 1914 ^[40] et a publié sa propre conception pour un moteur analytique en 1908. ^{[41] [42]} Il a été rédigé en détail, mais jamais construit, et les dessins n’ont jamais été retrouvés. Le moteur de Ludgate serait beaucoup plus petit (environ 8 pieds cubes (230 L )) que celui de Babbage et serait hypothétiquement capable de multiplier deux nombres à 20 chiffres décimaux en environ six secondes. ^[43]

Dans ses Essays on Automatics (1913) , Leonardo Torres y Quevedo a conçu une machine à calculer de type Babbage qui utilisait des pièces électromécaniques comprenant des représentations de nombres à virgule flottante et a construit un premier prototype en 1920. ^[43]

L’article de Vannevar Bush Instrumental Analysis (1936) comprenait plusieurs références au travail de Babbage. La même année, il a lancé le projet Rapid Arithmetical Machine pour étudier les problèmes de construction d’un ordinateur numérique électronique. ^[43]

Malgré ce travail de fond, le travail de Babbage est tombé dans l’obscurité historique et le moteur analytique était inconnu des constructeurs de machines informatiques électromécaniques et électroniques dans les années 1930 et 1940 lorsqu’ils ont commencé leur travail, ce qui a nécessité de réinventer de nombreuses innovations architecturales Babbage avait proposé. Howard Aiken , qui a construit la calculatrice électromécanique rapidement obsolète, le Harvard Mark I , entre 1937 et 1945, a fait l’éloge du travail de Babbage probablement comme un moyen d’améliorer sa propre stature, mais ne savait rien de l’architecture du moteur analytique lors de la construction du Mark I. , et a considéré sa visite à la partie construite du moteur analytique “la plus grande déception de ma vie”. ^[44]Le Mark I n’a montré aucune influence du moteur analytique et manquait de la caractéristique architecturale la plus prémonitoire du moteur analytique, le Branchement conditionnel . ^[44] J. Presper Eckert et John W. Mauchly n’étaient pas non plus au courant des détails du travail du moteur analytique de Babbage avant l’achèvement de leur conception pour le premier ordinateur électronique à usage général, l ‘ ENIAC . ^{[45] [46]}

Comparaison avec d’autres ordinateurs anciens

Si le moteur analytique avait été construit, il aurait été numérique , programmable et complet de Turing . Cela aurait cependant été très lent. Luigi Federico Menabrea a rapporté dans Sketch of the Analytical Engine : “M. Babbage croit qu’il peut, par son moteur, former le produit de deux nombres, contenant chacun vingt chiffres, en trois minutes”. ^[47] Par comparaison, le Harvard Mark I pouvait effectuer la même tâche en seulement six secondes. Un PC moderne peut faire la même chose en moins d’un milliardième de seconde.

Nom	Premier opérationnel	Système numérique	Mécanisme de calcul	Programmation	Turing terminé	Mémoire
Moteur de différence	Pas construit avant les années 1990 (conception des années 1820)	Décimal	Mécanique	Non programmable ; constantes numériques initiales des différences polynomiales fixées physiquement	Non	État physique des roues dans les axes
Moteur analytique	Non construit (conception des années 1830)	Décimal	Mécanique	Programme contrôlé par cartes perforées	Oui	État physique des roues dans les axes
Le moteur analytique de Ludgate	Non construit (conception 1909)	Décimal	Mécanique	Programme contrôlé par cartes perforées	Oui	État physique des tiges
Machine analytique de Torres y Quevedo	1920	Décimal	Électromécanique	Non programmable ; paramètres d’entrée et de sortie spécifiés par les câbles de raccordement	Non	Relais mécaniques
Zuse Z1 (Allemagne)	1939	Virgule flottante binaire	Mécanique	Non programmable ; paramètres d’entrée de chiffrement spécifiés par les câbles de raccordement	Non	État physique des tiges
Bombe (Pologne, Royaume-Uni, États-Unis)	1939 ( polonais ), mars 1940 (britannique), mai 1943 (américain)	Calculs de caractères	Électro-mécanique	Non programmable ; paramètres d’entrée de chiffrement spécifiés par les câbles de raccordement	Non	État physique des rotors
Zuse Z2 (Allemagne)	1940	Virgule flottante binaire	Électro-mécanique ( mémoire mécanique )	Programme contrôlé par un film 35 mm perforé	Non	État physique des tiges
Zuse Z3 (Allemagne)	mai 1941	Virgule flottante binaire	Électro-mécanique	Programme contrôlé par un film 35 mm perforé	En principe	Relais mécaniques
Atanasoff – Berry Computer (États-Unis)	1942	Binaire	Électronique	Non programmable ; saisie des coefficients du système linéaire à l’aide de cartes perforées	Non	Mémoire de condensateur régénérative
Colossus Mark 1 (Royaume-Uni)	Décembre 1943	Binaire	Électronique	Programme contrôlé par des câbles de raccordement et des commutateurs	Non	Vannes thermioniques (tubes à vide) et thyratrons
Harvard Mark I – IBM ASCC (États-Unis)	mai 1944	Décimal	Électro-mécanique	Programme contrôlé par une bande de papier perforée à 24 canaux (mais pas de branche conditionnelle)	Non	Relais mécaniques [48]
Zuse Z4 (Allemagne)	Mars 1945 (ou 1948) [49]	Virgule flottante binaire	Électro-mécanique	Programme contrôlé par un film 35 mm perforé	En 1950	Relais mécaniques
ENIAC (États-Unis)	juillet 1946	Décimal	Électronique	Programme contrôlé par des câbles de raccordement et des commutateurs	Oui	Bascules triodes à tube à vide
Bébé de Manchester (Royaume-Uni)	1948	Binaire	Électronique	Programme binaire entré en mémoire au clavier [50] (premier calculateur numérique électronique à programme enregistré)	Oui	Tube à rayons cathodiques Williams
EDSAC (Royaume-Uni)	1949	Binaire	Électronique	Opcode à cinq bits et opérande de longueur variable (premier ordinateur à programme stocké offrant des services informatiques à une large communauté).	Oui	Lignes à retard à mercure

Dans la culture populaire

• Les romanciers cyberpunk William Gibson et Bruce Sterling ont co-écrit un roman steampunk d’ histoire alternative intitulé The Difference Engine dans lequel la différence de Babbage et les moteurs analytiques sont devenus disponibles pour la société victorienne. Le roman explore les conséquences et les implications de l’introduction précoce de la technologie informatique.
• Moriarty by Modem , une nouvelle de Jack Nimersheim, décrit une histoire alternative où le moteur analytique de Babbage était en effet achevé et avait été jugé hautement classifié par le gouvernement britannique. Les personnages de Sherlock Holmes et Moriarty avaient en réalité été un ensemble de programmes prototypes écrits pour le moteur analytique. Cette courte histoire suit Holmes alors que son programme est implémenté sur des ordinateurs modernes et qu’il est à nouveau obligé de rivaliser avec son ennemi juré dans les homologues modernes du moteur analytique de Babbage. ^[51]
• Un décor similaire est utilisé par Sydney Padua dans le webcomic The Thrilling Adventures of Lovelace and Babbage . ^{[52] [53]} Il présente une histoire alternative où Ada Lovelace et Babbage ont construit le moteur analytique et l’utilisent pour combattre le crime à la demande de la reine Victoria . ^[54] La bande dessinée est basée sur des recherches approfondies sur les biographies et la correspondance entre Babbage et Lovelace, qui est ensuite tordue pour un effet humoristique.
• Le projet en ligne Orion’s Arm présente les Machina Babbagenseii , des ordinateurs mécaniques entièrement sensibles inspirés de Babbage. Chacun a la taille d’un gros astéroïde, capable de survivre uniquement dans des conditions de microgravité, et traite les données à 0,5 % de la vitesse d’un cerveau humain. ^[55]

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• Wilkes, Maurice Vincent (1971). “Babbage en tant que pionnier de l’informatique”. Proc. Réunion commémorative de Babbage . Londres : British Computer Society. p. 415–440.

Liens externes

• Portail de programmation informatique

Wikimedia Commons a des médias liés au moteur analytique .

• Les papiers de Babbage , archives du Musée des sciences
• Le moteur analytique du Fourmilab, comprend des documents historiques et des simulations en ligne
• “Image du” plan général du grand moteur de calcul de Babbage “(1840), plus une description moderne des fonctionnalités opérationnelles et de programmation” . Archivé de l’original le 21 août 2008.
• Image d’un plan ultérieur de moteur analytique avec disposition en grille (1858)
• Premier “tonneau” Babbage fonctionnel réellement assemblé, vers 2005
• Numéro spécial, IEEE Annals of the History of Computing , Volume 22, Numéro 4, octobre-décembre 2000 (abonnement requis)
• Babbage , Science Museum, Londres
• “Le merveilleux moteur analytique – Comment ça marche” . Lunettes 2D . 31 mai 2015 . Récupéré le 23 août 2017 .
• Plan 28 : Construire le moteur analytique de Charles Babbage