История автоматических вычислителей: машины на перфокартах

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: машины на перфокартах

- Переписи населения США 1790 - 1880: табуляция (сведение данных в таблицы), ручная обработка данных, проблема автоматизации
- Герман Холлерит, идея и разработка табуляционной перфокартной машины
- Перепись населения США 1890 - триумф табуляционных машин Холлерита, Tabulating Machine Company (TMC)
- Джеймс Легранд Пауэрс, Powers Accounting Machine Company
- TMC -> CTR -> IBM
- Powers Accounting Machines Company -> Remington Rand Corporation
- Благословенная свободная конкуренция: IBM vs Remington Rand
- Области применения счетных перфокартных машин: статистика, коммерция, учет ресурсов предприятия
- Вторая Мировая Война и послевоенный период
- Итого: Remington Rand
- Итого: IBM
- Парк специализированных счетных статистических автоматов -> программное обеспечение на универсальном компьютере, реляционная модель, язык SQL
- Первый в истории «статистический инженер» - Герман Холлерит (1895, официально)

13 декабря 2023 (ранние версии: осень 2021, 2022)

Transcript

1. История вычислительных устройств: машины на перфокартах
2. Материалы • Computing before computers, под редакцией William Aspray, 1990 (глава «Punched-Card Machinery», Martin Campbell-Kelly) • От абака до компьютера, Р. С. Гутер Ю. Л. Полунов, 1981 • Сканы (на удачу): archive.org • Википедия, Хабр, Интернет
3. Сначала была перепись населения
4. Первая перепись в США — 1790 • чуть меньше 4 млн. человек, • опрашивали только глав семей, • не слишком много вопросов в анкете
5. Перепись 1850-го года • Количество увеличилось больше, чем в 5 раз — 23 млн. человек • опрашивался каждый гражданин, • количество вопросов в анкете увеличилось
6. • Имя • Адрес • Возраст • Пол • Цвет кожи (белый, черный или мулат) • Являлся ли опрашиваемый глухим, немым, слепым, сумасшедшим или умалишенным • Стоимость недвижимости, находящейся в собственности (требовалось от всех свободных граждан) • Профессия или специальность (для мужчин старше 15 лет) • Место (штат, территория или округ) рождения • Проходил ли опрашиваемый обряд бракосочетания в этом году • Посещал ли опрашиваемый школу в этом году • Умеет ли опрашиваемый читать и писать (для лиц старше 20 лет) • Является ли опрашиваемый нищим или осужденным ru.wikipedia.org/wiki/Перепись_населения_США_(1850)
7. Сведение в итоговые таблицы • Процесс сведения данных в итоговые таблицы (tabulation — табуляция) проводился по алгоритму «подводящего итога» («tallying»): - для каждого вопроса или группы вопросов из анкеты высчитывалось некоторое общее значение для всех анкет района - далее для еще больших территорий высчитывалось сводное значение на основе значений, подсчитанных для отдельных районов, которые входят в территорию
8. Сведение в итоговые таблицы • Первое время процесс был полностью немеханизированным (выполнялся вручную) • В переписях 1870-го и 1880-го годов применились простейшие средства автоматизации (устройство Ситона): устройство позволяло аккуратно выровнять одну к одной несколько анкет • Обработка результатов переписи 1880-го года заняла 7 лет • С учетом притока мигрантов ожидалось, что к следующей переписи население удвоится, • таким образом обработка результатов следующей переписи не завершится за 10 лет до начала следующей переписи, дальше будет еще хуже • Если только не применить какой-нибудь способ автоматизации процесса подсчета данных и сведения их в итоговые таблицы
9. Предыстория, появление, становление и развитие компании Internation Business Machines, экономика и рынок механических табуляционных машин
10. Герман Холлерит • 29 февраля 1860 — 17 ноября 1929 года • Окончил Горную школу при Колумбийском университете в Нью Йорке • Принят на работу в статистическое управление при министерстве внутренних дел США
11. • В министерской столовой молодой 21-летний Холлерит познакомился с девушкой, которая пригласила его к себе в гости отобедать • Девушка оказалась дочерью доктора Биллингса — шефа департамента сводных данных • Во время беседы Доктор Биллингс высказал предположение о том, что можно было бы построить машину, которая бы выполняла утомительную работу клерков его офиса • Отношения с девушкой у Холлерита не продолжились, но идея её отца запала ему в голову
12. • В 1882 — преподаватель машиностроения в MIT • Там же начал разрабатывать «машину для переписи населения» (табуляционную машину) • Вскоре перешел в Вашингтонское бюро патентов • После стал независимым патентным агентом • Продолжил работу над табуляционной машиной и системой торможения для железной дороги • 1884 — 1889 годы — первые четыре патента на перфоркартные машины • Потом еще 30 патентов
13. Перфокартная машина • Первые версии табуляционной машины использовали перфорированную бумажную ленту (ленту с пробитыми в специальных местах отверстиями) • Однако при работе с большими объемами данных лента часто рвалась и требовала постоянные перемотки • В один момент пришла идея разработать перфокарту вместо ленты
14. Происхождение идеи перфокарты • Есть несколько вариантов в разной литературе • Идея могла быть предложена сотрудником бюро — неким Биллингсом (J.S. Billlings) • Взята из станка Жаккара или работ Бэббиджа (не известно, был ли знаком с ними, т. е. с работами) • Вдохновился видом ручного компостера у железнодорожного кондуктора • В ранних экспериментах Холлерит, действительно, использовал такой ручной компостер, как у кондуктора • Так или иначе, развитие идеи в работающее оборудование было неоспоримо осуществлено самим Холлеритом
17. Первые испытания • Несколько испытаний с 1887-го года • Обработка статистики смертности в Балтиморе и других городах • Медицинская статистика в Канцелярии (?) Главного медицинского офицера армии США (Office of the Surgeon General of the Army)
18. Конкурс на выбор системы автоматизации переписи 1890 • Конкурсное испытание: 1889-й год • Организовал конкурс — директор переписи, Роберт П. Портер (Robert P. Porter) • Всего три участника • Система Холлерита • Две другие подразумевали перенос информации о переписи на бумажную ленту или карты, далее — ручную сортировку и подсчет. Цветовое кодирование для облегчения идентификации карточек.
19. Конкурс на выбор системы автоматизации переписи 1890 • Пробная перепись: район ~ 10 тыс. человек • Система Холлерита обошла конкурентов с несомненным отрывом • Запись анкетных данных проходила заметно быстрее • Процесс табуляции (подсчета) — в 10 раз быстрее • Основная причина: после того, как информация была перенесена на перфорированные карты (вручную), • весь остальной процесс сортировки, подсчета и сведения информации в таблицы был полностью избавлен от ручной работы (т. е. механизирован)
20. Перепись 1890-го года • Триумф машин Холлерита и самого Холлерита — технический и финансовый • Через 6 недель после начала был завершен грубый подсчет населения (~62.5 млн. человек) • Но грубый подсчет не подразумевал использование машин в полной мере — только перенос информации для последующей машинной обработки при помощи специальных клавиатур • После этого был запущен процесс полного подсчета и сведения в таблицы • Для этого было подготовлено почти 63 млн. перфокарт — по одной на каждого гражданина
21. Перепись 1890-го года • Перепись была завершена чуть больше, чем через 2 года • Гораздо быстрее по скорости • Подсчитаны гораздо более сложные коэффициенты • Отчет опубликован на 10220-ти страницах — в два раза больше, чем в прошлый раз
22. Перепись 1890-го года • Было задействовано примерно 100 машин для переписи • И несколько сотен перфораторов (pantograph punch) • Все они обслуживались Холлеритом и его ассистентами • Машины требовали регулярный ремонт и обслуживание • Поломки не всегда носили механический характер: • Время от времени сотрудники желали устроить себе внеплановый перерыв, из специальной чашечки извлекали пипеткой ртуть (которая обеспечивала в процессе работы машины электрический контакт) и перемещали её в плевательницу.
23. Журнал «Scientific American», 30 августа 1890 archive.org/details/scientific-american-1890-08-30 • На обложке: • Стопки исходных анкет (внизу) • Пробойник (перфоратор) (pantograph punch) — перенос анкет на перфокарты (справа наверху) • Табуляционная машина и ящик для ручной сортировки карточек (слева наверху) • Клавиатура для ввода количества членов семьи для грубого подсчета (в середине)
40. Далее • Получил предложения из европейских стран, когда к переписи 1890-го в США еще шла подготовка • Систему использовали в Австрии, Норвегии и Канаде во время переписей 1890-го года • Вел переговоры с рядом других стран, получил несколько наград • В 1896-м году Холлерит основал Tabulating Machine Company (Компания табуляционных машин) • В 1900-м получил контракт на очередную перепись в США
41. Перепись в США 1900-го года • Автоматическая подача карт в табуляторы — ушла необходимость вручную вставлять карты в приемник и закрывать пресс
42. Перепись в США 1900-го года • Подсчет данных в области сельского хозяйства привел к необходимости копить и считать числа • Для решения этой задачи был разработан специальный мультиколоночный формат перфокарт • И разработан специальный «интегрирующий» (т. е. суммирующий) табулятор • Складывающий механизм основан на конструкции складывающего механизма (шагового барабана) Лейбница (~1716-й год, связь времен)
45. Перепись в США 1900-го года • Новый клавишный пробойник (перфоратор) • Позволял быстрее пробивать отверстия • Клавиатура в стиле современных калькуляторов, производился в неизменном виде следующие 50 лет
46. Перепись в США 1900-го года • Электрическая сортировальная машина • Сортировка перфокарт стала отдельной операцией • (раньше производилась как часть процесса работы на табуляционной машине — см. картинку на обложке журнала) • Или выполнялась вручную при помощи специальной нетривиальной операции с использованием иголки
48. Перепись в США 1900-го года • Обработка результатов продолжалась 2.5 года (как в прошлый раз) • Снова технический и финансовый успех Холлерита • Было произведено больше 300 табуляционных машин и более 1600 обычных пробойников и клавиатурных пробойников
49. Перепись США 1910-го года • Компания Холлерита не получила контракт • Не сошлись в цене с новым директором переписи — Нортом (S. N. D. North) • Новый директор Норт организовал офис по улучшению имеющегося и созданию нового оборудования для переписи • Одним из значительных улучшений было внедрение в табуляторы печатающих счетчиков (сняло необходимость снимать значения вручную — экономия времени и уменьшение шанса ошибки)
50. Перепись США 1910-го года • В 1907-м году в офис был нанят инженер — эксперт по механике Джеймс Легранд Пауэрс • (родился в 1871-м году в Одессе в Российской Империи, в 1889 эмигрировал в США) en.wikipedia.org/wiki/James_Legrand_Powers • Задача при найме — улучшить клавиатурный пробойник
51. Перепись США 1910-го года • Разработал полностью новое устройство, • Которое питалось от электричества • И имело автоматическую подачу • Позволяло вводить значения для всей карты целиком до того, как пробивались отверстия (уменьшало вероятность брака, т. к. введенные значения можно было исправить) • Групповая пробивка и простые возможности сортировки • В целом, заметно повышало производительность труда
53. Перепись США 1910-го года • Кроме того, улучшил некоторые устройства Холлерита, оставшиеся в Бюро после прошлой переписи • Холлерит пытался судиться с Бюро за нарушение патентов, через два года пришли к соглашению • В 1911-м году Пауэрс покинул бюро и основал собственную компанию — Powers Accounting Machine Company (Учетные машины Пауэрса)
54. Благословенная свободная конкуренция такая, какая она должна быть
55. TMC (Холлерит) => С-Т-К (Флинт, Ватсон) • В 1911-м году компанию Холлерита Tabulating Machine Company купил известный на тот момент бизнесмен Чарльз Флинт • Холлерит более не управляет компанией, оставшись на роли рядового менеджера • Флинт организовал новую компанию Computing-Tabulating- Recording Company (C-T-R) слиянием 3-х компаний: - Производитель весов с автоматическим подсчетом стоимости - Производитель таймеров (секундомеров — «вкл»/«выкл») - Производитель табуляционных машин Холлерита • Холлерит проработал до 1921-го года, затем отошел от дел
56. Томас Ватсон (1874-1956) • Президент C-T-R с 1914-го года • Продавец, а не инженер • Сделал стремительную карьеру в компании National Cash Register Company (NCR), производившей кассовые аппараты (до сих пор существует, производит банкоматы и POS-терминалы) • Компания C-T-R выросла до 3-х тыс. сотрудников к 1921-му году • Была переименована в International Business Machines (IBM) • («международные машины для бизнеса» или «машины для международного бизнеса»?)
58. Итого (промежуточное) • Tabulating Machine Company (TMC) => • Computing-Tabulating-Recording Company (C-T-R) => • International Business Machines (IBM)
59. Powers Accounting Machines Company • Основана Пауэрсом в 1911-м году • В 1927-м году поглощена корпорацией Remington Rand Corporation • Конкурировала с TMC/C-T-R/IBM сначала самостоятельно, потом в составе Remington Rand Corporation • На рынке США и на рынках Европы с другими игроками
60. • Патентные войны, • Технологические войны — постоянное улучшение линейки продуктов • Компания Пауэрса долгое время превосходила IBM по качеству продуктов. • Упор делала на качественную механику, в то время, как IBM заигрывала с электрическими компонентами
61. Битва за Европу
62. Битва за Европу • 1907: в Лондоне основана компания British Tabulating Machine Company (BTM) с эксклюзивным правом производить и продавать машины Холлерита в Британии и на территории Британской Империи (очевидно, в колониях) • 1913: основана Accounting and Tabulating Machine Corporation of Great Britain для продажи машин Пауэрса - Вскоре британская дочка американской компании Пауэрса стала независимой от американской родительской компании и разработала достаточно большое количество собственных машин
63. Битва за Европу • 1910: в Германии основана Deutsche Hollerith Maschinen Gesellschaft (обычно известная как Dehomag) - в 1923-м C-T-R (уже IBM?) купила 90% акций компании вместе с несколькими важными патентами • Во Франции: C-T-R организовала компанию — представителя по продажам Societe Internationale des Machines Commerciales (позднее — IBM France) • Во Франции: Machines Bull — собственные разработки • СССР/РСФСР: тоже что-то производили (TODO — найти больше подробностей)
64. Промежуточные итоги • К середине 1920-х во всем мире почти во всех развитых экономически странах в тех или иных областях использовались перфокартные учетные машины • Размер рынка в абсолюте был не слишком большим, если сравнивать с современными масштабами • В 1920-м у IBM было всего 3 тыс. клиентов в США, годовая прибыль — порядка $20 млн. (конечно, миллион долларов тогда — это совсем не такой миллион долларов, который сейчас) • Устройства на перфокартах на тот момент являлись примерами наиболее технологичного сложного оборудования: устройство содержало несколько тысяч высокоточных деталей
65. Промежуточные итоги • Несмотря на Великую Депрессию в США в 1930-х, у индустрии перфокартных машин дела шли вполне хорошо • (скорее, благодаря: кризис и разорения ведут к укрупнению и монополизации, наибольший эффект от внедрения вычислений — на крупных предприятиях, где есть что считать) • Во второй половине 1930-х дополнительный спрос на учетную технику создало правительство США, в 1935-м году принявшее Закон о социальном обеспечении (Social Security Act), в 1933-м — Закон о ценных бумагах (форма S-1, регулирование IPO), и в целом увеличившаяся нагрузка в рамках программы «Нового курса» Рузвельта (the New Deal) — курс на государственное регулирование экономики
66. Промежуточные итоги • К концу 1930-х IBM выросла до 12 тыс. сотрудников, имела несколько заводов, исследовательские и образовательные подразделения в разных городах США. А также представительства по производству и продажам в большинстве крупных стран, за исключением Британской Империи • Подразделение табуляционных машин Remington Rand получало основной доход от продажи печатных машинок и прочего офисного оборудования, поэтому его сложно сравнивать с доходами IBM, хотя общие доходы корпорации были сравнимы с доходами IBM. • Современные источники оценивают долю IBM на рынке перфокартных машин США в 80%, Remington Rand — в 20%
67. Промежуточные итоги • Компания BTM (British Tabulating Machine Company) никогда не смогла достичь десятой доли масштабов IBM - во-первых, у них не было такого харизматичного энергичного лидера-визионера, как Томас Ватсон в IBM - во-вторых, они должны платить IBM 25% отчислений за право эксклюзивного доступа к технологиям (?) («royalty for the privilege») :)
68. Области применения
69. Статистика • Ранние внедрения — машины Холлерита • Перепись населения в США и других странах: масштабно, регулярно, но большие интервалы и риск не получить очередной контракт • Несколько машин было внедрено в отделе статистики Центральной железной дороги Нью Йорка (New York Central Railroad) — в то же время, когда проходили испытания на переписи населения • Потом появились клиенты крупнее — например, Стальная компания Пенсильвании (в 1904-м году) • К 1908-му году у компании Холлерита было порядка 30 клиентов, включая железные дороги, коммунальные услуги, производство и государственные агентства.
70. Коммерция: учет ресурсов предприятия • Первые десять лет основные области применения — обработка всевозможной статистики • Далее стали выходить на первый план приложения в области учета (accounting) (управление ресурсами предприятия) • Внедрение в эту область создавало запрос на появление таких новшеств, как печатающие табуляторы, работа с алфавитом • (после появления этих новшеств в линейках оборудования процесс внедрения начинал идти еще шире)
71. Коммерция: учет ресурсов предприятия • Первые технические решения, позволившие решать базовые проблемы учета, — появление интегрирующего (суммирующего) табулятора и автоматической сортировочной машины • Их появление позволило внедрить систему в Стальной компании Пенсильвании (1904) и в розничной торговой компании Marshall Field для аналитики продаж (1907). • По тем временам работу с полномасштабными системами учета могли позволить себе только крупные организации, накопившие большие объемы данных, к которым было целесообразно применять пакетную обработку • Мелкие организации использовали средства автоматизации попроще
72. Коммерция: учет ресурсов предприятия • В период монополизации — укрупнения бизнеса в ходе слияний и поглощений, в стране стало появляться всё больше крупных компаний — потенциальных потребителей учетных систем такого рода • Бизнес Холлерита воспользовался моментом в полной мере и рос вместе с рынком потребителей
73. Экономический стимул • Вместе с процессом укрупнения бизнеса росла потребность в машинах и рос бизнес по их производству • Как результат такая автоматизация стала общепринятой • Расходы ресурсов на операции учета — необходимые непроизводственные издержки, покрываются из прибавочной стоимости производства • Внедрять системы учета становится не простым удобством, но и вынужденной мерой • Экономический стимул: у кого издержки выше средних по обществу, тот не выживет
74. • В 1913-м году S. G. Koon, «Hollerith Tabulating Machinery in the Business Office» Machinery, том 20 (сентябрь 1913), стр. 25. archive.org/details/sim_machinery_1913-09/page/24/ • the system is used in factories of all sorts, in steel mills, by insurance companies, by electric light and traction and telephone companies, by wholesale merchandise establishments and department stores, by textile mills, automobile companies, numerous railroads, municipali­ ties and state governments. It is used for compiling labor costs, efficiency records, distribution of sales, internal requisitions for supplies and materials, production statistics, day and piece work. It is used for analyzing risks in life, fire and casualty insurance, for plant expenditures and sales of service, by public service corporations, for distributing sales and cost figures as to salesmen, department, customer, location, commodity, method of sale, and in numerous other ways. The cards besides furnishing the basis for regular current reports, provide also for all special reports and make it possible to obtain them in a mere fraction of the time otherwise required • (проще сказать, в каких областях табуляторы не применялись) • (производительность труда: получить те же отчеты за меньшее время)
80. Далее
81. Вторая Мировая Война и послевоенный период
82. • Период между войнами охарактеризован конкуренцией двух фирм (IBM и Remington Rand) • Сотни улучшений и патентов • Из множества улучшений только некоторые фундаментальные • Но много улучшений в сумме — значимый прогресс
83. 2-я Мировая Война • Во время войны научные приоритеты пошли не в сторону учета и перфокарт • Но производство нарастили знатно • IBM за годы войны удвоила количество сотрудников • (при этом занималась уже не только учетными автоматами)
84. После войны • Появление вычислителей общего назначения • Новая элементная база для вычислительной техники — сначала лампы, потом транзисторы
85. Итого: Remington Rand • en.wikipedia.org/wiki/Remington_Rand • Купила компьютерную корпорацию Эккерта и Мокли (авторы первого электронного вычислителя общего назначения ENIAC), • Успела побывать в статусе одной из крупнейших компьютерных корпораций в США • В 1955-м была поглощена корпорацией Sperry • Sperry, в свою очередь, в 1986-го году была поглощена, после чего появилась корпорация Unisys (существует по сей день)
86. Итого: IBM • Экспериментировала с другими типами устройств: например, программируемый калькулятор с последовательностью операций на перфокарте • Перевела учетные машины и калькуляторы на новую элементную базу (лампы, транзисторы), сохраняя общую механику работы (алгоритмы обработки данных, интерфейс взаимодействия с пользователем)
87. • Некоторое время они существовали параллельно с первыми электронными компьютерами общего назначения (1950-1960-е) • Но потом были полностью вытеснены компьютерами общего назначения, которые стали более доступны и могли выполнять программно те же алгоритмы • К концу 1960-х перфокартные машины сняли с производства • Еще некоторое время продолжали использовать сами перфокарты как носители информации, но потом ушли и они • В 1970 отошли от дел и перфокарты, которым на смену пришли прямой ввод и дисплеи • В России в отдельных местах перфокартные системы продолжали использовать еще в 1990-е
88. • Эволюция перехода от перфокарт к электронике шла, но постепенно, а не скачком • Появлялись новые модели, которые сначала были скорее калькуляторы, чем компьютеры, но потом уже становились скорее компьютеры, чем калькуляторы • Компьютеров были сотни, калькуляторов были тысячи • Учетные машины не проектировались для вычислений общего назначения, но их использование связывало довоенные механические вычисления и послевоенную электронику • (Известны примеры использования перфокартных машин для научных вычислений отдельными энтузиастами, но с точки зрения коммерции это было не приоритетное направление)
90. Итого: учет ресурсов предприятия • Форма аппаратного обеспечения изменилась, но задачи учета по существу остались старые (с поправкой на рост сложности и разнообразия) • Идеи, долгие годы воплощенные в перфокартных машинах, в эпоху компьютеров общего назначения были реализованы в виде программного обеспечения
91. • В программных реализациях СУБД (системы управления базами данных) и языке обращения к данным SQL - 1970: Эдгар Кодд (сотрудник IBM) опубликовал работу с описанием реляционной модели данных - 1974: появление языка SQL (Дональд Чемберлин, Рэймонд Бойс — сотрудники IBM) • В программных пакетах планирования ресурсов предприятия (системы ERP) • Развитие: бигдата (большие данные)
92. «Статистический инженер»
93. • В 1895 году Холлерит выступал с лекциями о своих машинах в Европе. В Берне он был представлен собравшимся как «статистический инженер». • «Я вовсе не удивлюсь, если это определение не станет общепринятым, - писал Холлерит жене. - Но если все же в будущем это случится, я буду счастлив от того, что был первым статистическим инженером». От абака до Компьютера
94. «Статистический инженер» • «Статистический инженер» (в том контексте) — это инженер по работе с большими данными, «датасаентист». • Профессия появилась раньше, чем появились компьютеры (минимум на 50 лет) • и минимум на 100 лет раньше, чем стала модным меинстримом (ML, бигдата, все дела). • Как и сами системы автоматической обработки больших данных • День рождения Германа Холлерита: 29 февраля 1860