Пиксель. История одной точки

Мифы о компьютерах

[Это] становится заколдованным ткацким станком, где миллионы светящихся челноков ткут гаснущий узор, всегда осмысленный, но никогда не постоянный; изменчивая гармония узоров, складывающихся из узоров.

– Сэр Чарльз Шеррингтон. «Человек и его природа»

Следующая глава посвящена воплощению концепции универсальной вычислительной машины на практике – соревнованию по созданию первого компьютера. Прежде чем мы последуем дальше, давайте развеем три мифа о компьютерах: они не обязательно должны быть электронными, они не обязательно состоят из битов и не обязательно основаны на числах – даже на нулях и единицах.

Во-первых, компьютеры не всегда выглядели как те, которые вы видите: мобильный телефон, ноутбук, настольный компьютер, гигантский мэйнфрейм в крупной корпорации или суперкомпьютер в высокотехнологичном исследовательском центре. Рассмотренная ранее картонная карточка – хороший контрпример. Это тоже компьютер, и для моей книги он изготовлен из чернил, плотного картона и тонкого металла. Он определенно не электронный.

Есть популярный педагогический трюк, превращающий лекционную аудиторию со студентами в компьютер. Давайте масштабируем эту идею. Предположим, все жители США старше 12 лет выстроились в ряд. Эта шеренга станет лентой нашего компьютера – его памятью. Если нам понадобится ее увеличить, мы позовем несколько канадцев и мексиканцев. Предположим, у каждого человека есть пять шляп разных цветов. Эти головные уборы будут символами на нашей ленте. Шестым символом станет отсутствие шляпы, и оно же будет условием по умолчанию для всех, кроме нескольких человек. Мы выберем кого-нибудь, кто просканирует ленту. Когда я придумал этот пример, президентом был Барак Обама, так что мы сделаем его не ячейкой, а сканером нашей ленты. Дадим ему 24 правила машины Тьюринга – набор инструкций – для пяти цветов шляп, а не для цифр от 1 до 5 (и для отсутствия шляпы вместо пустой ячейки). Правила, как обычно, разделены на четыре набора, и каждый из них лежит в одном из карманов его джинсов, два спереди и два сзади. Итак, его карманы – это четыре состояния машины.

Обама начинает с человека в красной шляпе и применяет один из наборов правил – скажем, из правого переднего кармана. Человек, к которому он обращается, выполнит указанное действие – наденет шляпу другого цвета или снимет ее. Затем Обама перемещается влево или вправо на одного человека согласно тому же правилу. Затем он убирает один набор правил обратно в карман и достает другой, если текущее правило предписывает ему так сделать. И так далее. У нас получился компьютер, сделанный из людей, с карманами для разных состояний и шляпами в качестве символов. Он может вычислить что угодно, потому что делает то же самое, что и машина Тьюринга из картонной карточки, универсальный компьютер. Это просто разные аппаратные реализации одной и той же машины. Но это настоящий компьютер – и уж точно не электронный (и не числовой). Компьютер-карточка или его человеческий эквивалент также опровергают наше второе предубеждение относительно компьютеров – что они должны состоять из битов. Во второй главе мы уже упоминали, что у бита есть два состояния, как у выключателя, который пребывает или во включенном, или в выключенном состоянии. Но машина из картонной карточки способна принимать четыре положения. И каждая ячейка ленты может содержать шесть значений или символов. Ни один из элементов компьютера-карточки не ограничивается только двумя значениями. Он не состоит из битов. То же самое относится и к его человеческому эквиваленту.

Не обязательно применять именно биты, просто инженеры быстро обнаружили, что они очень удобны на практике. Фактически, биты уже использовались в течение многих лет при создании вычислительных машин, прежде чем кто-то удосужился преобразовать в них великую идею Тьюринга. Эта заслуга принадлежит Клоду Шеннону. Возможно, именно встречи с Тьюрингом в 1943 году на Манхэттене – по поводу разработки вокодера – подтолкнули его к догадке. Шеннон показал, что машину Тьюринга с любым количеством символов можно заменить другой с двумя символами, и она будет вычислять то же самое. Поскольку лента машины Тьюринга – это ее память, ячейка ленты в предложенном Шенноном эквиваленте машины Тьюринга – это один бит памяти с двумя символами в качестве значений.

Третий миф еще более вреден. Это убежденность, что бит принимает только два значения – 0 и 1. Другими словами, третий миф утверждает, что компьютер состоит из нулей и единиц и, следовательно, в его основе лежат числа. Здесь смешиваются калькулятор, предназначенный для работы с числами, и компьютер, то есть гораздо более масштабная идея. В третьем мифе также перепутано понятие имени с тем, что оно обозначает.

Ошибочное представление естественным образом возникает из-за выбора наименований для двух состояний бита. Нам удобно обозначать их 0 и 1, но ничто не мешает называть их как-нибудь по-другому: день и ночь, низ и верх, точка и тире или ох и ах. Я думаю, вы согласитесь, что такие имена гораздо менее удобны и лаконичны, чем 0 и 1. Но, как и в случае с компьютером-карточкой, это просто слова, а не числа.

Нетрудно догадаться, почему компьютерные операции путают с вычислениями. Оригинальная статья Тьюринга называлась On Computable Numbers – «О машинно-вычислимых числах». Буква N в аббревиатуре ENIAC означает numerical – «числовой». Слово «алгоритм», как мы уже знаем, отдает дань уважения средневековой математике. Многие компьютерные операции на первых, очень медленных машинах сводились к математическим вычислениям – например, к расчетам для водородной бомбы. Числа были самыми простыми символами, с которыми можно было работать при помощи нового инструмента. Некоторые из первых практиков, похоже, так никогда и не поняли, что компьютер представляет собой нечто большее, чем быстродействующий калькулятор, но Тьюринг знал, насколько компьютеры универсальны. Интересно отметить, что «бомбы» Тьюринга и «колоссы» Ньюмана в Блетчли-Парке на самом деле не занимались математическими вычислениями или манипуляциями с числами, а использовали подстановку символов для взлома кодов.

Сэр Чарльз Шеррингтон, автор эпиграфа к этому разделу, использовал свою знаменитую метафору про «заколдованный ткацкий станок» для описания бодрствующей коры человеческого мозга, но она также подходит для современного компьютера. Речь идет об изменчивых узорах, а вовсе не о числах, если только смыслы, которые^[14] мы придаем этим узорам, не являются числами. Мы можем по-разному интерпретировать комбинации, но для компьютера они останутся просто комбинациями.

Если в компьютере нет чисел, то что там находится? Почти все современные компьютеры – это электронные машины, и в ячейках их памяти хранятся биты. Они построены на основе интегральных микросхем – возможно, нашего величайшего технологического достижения. Заглянув внутрь такой работающей микросхемы, вы обнаружите узоры от высокого и низкого электрического напряжения. Это и есть биты.

Хорошо известное вам место, где такие узоры можно увидеть – или хотя бы измерить, – это электрическая розетка в вашем доме. Мы знаем, что напряжение там изменяется в виде волны Фурье от максимального до минимального значения (в США это 60 циклов в секунду). Ток, поступающий по проводам в ваш компьютер, на самом деле представляет собой волну постоянно меняющегося напряжения – от низкого к высокому и обратно.

Но на различных участках микросхемы напряжение не меняется плавно и непрерывно, как в розетке переменного тока. Оно сохраняет свое значение – допустим, высокое – до тех пор, пока компьютерное правило не потребует изменить состояние на другое, низкое значение. Каждый элемент микросхемы, который переключается по команде с высокого напряжения на низкое и наоборот, реализует абстрактную идею бита. Мы говорим, что бит принимает значение 1, пока не поступит указание изменить его на 0. Посмотрите, как удобны эти имена! Но физическая реальность – это не числа, а напряжение, как в розетке переменного тока.

Если вы представите компьютер с содержащимися в нем (обычно в виде регулярных массивов) триллионами битов, то поймете, почему метафора Шеррингтона тут применима. Когда компьютер работает на огромных скоростях, свойственных современным технологиям, узоры из триллионов напряжений движутся в электронном танце, изменяясь миллиарды раз за секунду. А уж для фильмов эти движения сплетаются в целостную ткань.

Секрет Цифрового Света кроется вовсе не в превращении картинки в числа, как в книжках-раскрасках «по номерам». Дело в том, что визуальные паттерны, которые мы видим каждый день, – узоры света, тени и движения – могут быть представлены узорами напряжения в машине. Мы имитируем модели мира с помощью моделей наших компьютеров.

Связывая все вместе

Группы криптографов и математиков из Блетчли-Парка расшифровывала сообщения немецких военных. Группа Блумсбери, знаменитое сообщество английских интеллектуалов, художников, писателей и мыслителей, занималась высокой английской литературой. На первый взгляд кажется, что у Блетчли и Блумсбери мало общего. Но в 1940-х и 1950-х годах они переплелись неявным, но интересным образом.^[15]

Тут нет ничего удивительного, поскольку британские интеллектуалы, будь то математики или литераторы, обычно проходят через Кембридж или Оксфорд. Например, писатель Эдвард Морган Форстер, издатель Леонард Вулф и экономист Джон Мейнард Кейнс были известными членами Блумсбери. И все они принадлежали к тайному кембриджскому обществу «Апостолов», в которое входили сотрудники Алана Тьюринга Робин Ганди и Дэвид Чемперноун.

Это, конечно, просто совпадение, как и тесные связи двух сообществ через семью Стрейчи. У Литтона Стрейчи из группы Блумсбери был брат Оливер, работавший криптографом в Блетчли-Парке, и племянник, Кристофер, сын Оливера, учившийся вместе с Тьюрингом в Кембридже. О Кристофере Стрейчи, создателе первой видеоигры, мы еще поговорим в следующей главе.

Но особенно тесная связь установилась между Тьюрингом и писателем Форстером из группы Блумсбери. В своем романе «Морис», который долгое время оставался неопубликованным, Форстер осмелился изобразить, что значит быть «изгоем вроде Оскара Уайльда». Как утверждает Ходжес, Тьюринг нашел утешение в этой книге^[16].

Возможно, самая любопытная связь затрагивает еще одного гиганта Блумсбери – Вирджинию Вулф, чей муж Леонард также издавал ее книги. Известно, что Вирджиния вела подробные дневники, поэтому неудивительно, что в них фигурирует имя одной из редакторов, работавших у Леонарда, Лин Ирвин. Неожиданно Лин вышла замуж за далекого от литературных кругов Макса Ньюмана, наставника и коллегу Тьюринга.

Опасаясь за жизнь своих сыновей после начала войны, Лин уехала с мальчиками в США, в уже упоминавшийся Принстон. Макс хорошо знал это место, ранее он провел там с Тьюрингом немало времени. Но теперь он остался в Англии, отправив в США Лин с детьми. Джон Мейнард Кейнс, отправившийся в США с государственным визитом, проведя несколько часов с президентом Рузвельтом в Вашингтоне, нашел время, чтобы разыскать Лин в Принстоне. Радостная встреча стала для нее освежающим напоминанием о Лондоне и передышкой от интеллектуальной изоляции.

Младший сын Лин и Макса, Уильям, тоже запомнил этот визит. Кейнс вызвался проводить его постричься и усадил в кресло рядом с фон Нейманом. Но что-то расстроило мальчика до слез, так что он убежал из парикмахерской. Кейнс догнал его и долго уговаривал вернуться, без сомнения пустив в ход все свое красноречие дипломата и финансиста, пока фон Неймана брили.

Дружба Лин с Тьюрингом началась позже, когда они оба вернулись в Англию и поселились в Манчестере. Все еще истосковавшаяся по лондонской интеллектуальной жизни, она сочла общение с ним освежающим по сравнению с другими гостями Макса, которые говорили в основном о математике. Она увидела в нем «очень простого, скромного, мягкого человека». Мы обращаемся к ее воспоминаниям за более глубоким пониманием святого Тьюринга.

Она вряд ли считала его гиком, но все же замечала некоторые странности характера. В предисловии к его биографии, подготовленной Сарой Тьюринг, Лин писала: «Он никогда не выглядел как человек, умевший подходящим образом одеваться». И «у него была странная манера не смотреть в глаза собеседнику».

Лин особенно сблизилась с Тьюрингом после того, как его осудили и он уже не скрывал ничего, кроме государственных тайн. Он сказал ей в те последние дни: «Я просто не могу поверить, что спать с девушкой так же хорошо, как с мальчиком».

«Я полностью с вами согласна, – ответила Лин. – Я тоже предпочитаю мальчиков».

Между ними возникла душевная близость, развеявшая внешний облик нелюдимого гика. Теперь, вместо «странной манеры не смотреть в глаза», Лин заметила, что его глаза были «яркого и насыщенного голубого цвета, как осколок цветного витража», – писала она. «Но как только он, в доверительной дружеской беседе, направлял прямой и серьезный взгляд на своего спутника, его глаза уже никогда больше не избегали чужого взгляда. В его взгляде были такие прямота и понимание, что-то, настолько проникнутое культурой, что его собеседник едва осмеливался дышать». Как и мать Тьюринга, Лин никогда не верила, что он покончил с собой.

Но главным вкладом Лин в Цифровой Свет стал ее сын. Уильям Ньюман в соавторстве напишет первый учебник по компьютерной графике.

Готовы к гонке

Поскольку мы собираемся перейти к главе 4 о рождении Цифрового Света и о том, как оно связано с появлением компьютеров, напомню, о чем шла речь в главе 3. Я рассказал о машинных вычислениях на интуитивном, концептуальном уровне, подчеркнув их бессмысленную простоту в малом и их устрашающую Гибкость в сочетании с теоретической таинственностью – непознаваемостью – в большом. Я предположил, что программирование подразумевает творчество и сложность. Я определил компьютер как устройство, где систематические или алгоритмические процессы манипулируют наборами символов. В процессе реализуются очень простые отдельные шаги, но их очень много. Я разубедил вас в том, что в основе компьютеров лежат числа – в вычислительных машинах нет нулей и единиц – и что их каким-то образом ограничивает детерминизм. Я показал, что для создания компьютера не требуются скорость, биты и электроника.

Тем не менее следующая глава посвящена скорости, битам и электронике. Скорость имеет большое значение в реальном мире, а биты и электроника способствуют ее достижению. Также на нее повлияли потрясающее Усиление и загадка порядка величины, когда мощность компьютера растет со скоростью взрыва сверхновой и он излучает Цифровой Свет.

Вклады: две высокие технологии

4. Заря Цифрового Света: ускорение

На самом деле меня не интересовали компьютеры, я сделал один и подумал, что один из одного – это хороший результат, поэтому я больше их не делал.

– Сэр Фредерик «Фредди» Уильямс

Я спросил профессора Килбурна, почему всякий раз, когда я открываю учебник по информатике, там пишут об американском происхождении компьютеров, а британцев нигде нет? Тогда Том [Килбурн] вынул изо рта трубку и сказал: «Те, кому нужно знать, знают».

– Саймон Лавингтон, британский историк технологий

Начиная писать эту книгу, я, как и большинство моих коллег, думал, что первые компьютерные изображения созданы в 1960-х годах Айвеном Сазерлендом и его группой в Юте. Но когда я попытался определить более точную дату, вскоре понял, что никто не знает, когда именно появились первые цифровые изображения. Эта глава – результат моих изысканий. После нескончаемых дней, проведенных в редко посещаемых архивах Кембриджа, Оксфорда, Манчестера и Бостона, я наконец могу изложить достоверную и полную историю.

Результаты оказались довольно шокирующими: первые пиксели появились уже на первом компьютере. Британские инженеры Фредди Уильямс (рис. 4.1, слева) и Том Килбурн (справа) создали и то и другое, а также первую эффективную систему компьютерной памяти, опередив таких тяжеловесов-теоретиков, как Тьюринг и фон Нейман. Британские инженеры – прямолинейные люди с искоркой веселья в глазах – наверняка фыркнули бы, услышав такие пафосные характеристики, но в частном порядке согласились бы со мной. Потому что все это правда. Они создали и опекали этот компьютер, названный восхитительным именем Baby («Малыш»), в 1948 году в Англии, в Манчестере. Это была полностью электронная аппаратная реализация великой идеи Тьюринга 1936 года – универсального компьютера с хранимой в памяти программой. Именно это мы подразумеваем под компьютером сегодня.

Гонка за создание первого компьютера проходила очень напряженно. И британцы выиграли ее, как вы уже поняли из вышесказанного, но американцы наступали им на пятки. Недавно обнаружены любопытные документы, свидетельствующие, что результат мог бы быть иным – все решили считаные дни, и янки, вероятно, добрались до финиша первыми. Получается ничья. Мы вернемся к этому вопросу позже. А сейчас сосредоточимся на нашей главной теме – на Цифровом Свете, на тех самых первых пикселях, с датировкой которых сомнений нет.

Рис. 4.1

Американец фон Нейман осознавал ценность великой идеи британца Тьюринга об универсальных вычислительных машинах не хуже ее создателя, и оба гения попытались реализовать ее аппаратную версию. Однако Тьюринг увяз в бюрократических проволочках, что стало для него самой большой и единственной неудачей, если не считать превратностей его личной судьбы. Но и команде фон Неймана не удалось быстро создать работающий прототип электронной памяти – свою версию изобретения Уильямса и Килбурна; им и еще примерно дюжине других американских разработчиков пришлось воспользоваться их достижениями.

Нет сомнений, что Уильямс и Килбурн создали первый Цифровой Свет. Биты памяти Baby были пятнами света на поверхности электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Каждое пятно могло иметь два размера, которые удобно называть 0 и 1. Но поскольку эти биты отображались на ЭЛТ и располагались там аккуратными строками и столбцами, их смело можно назвать первыми пикселями.

Итак, благодаря Уильямсу появился первый отображаемый пиксель. Затем в 1947 году Килбурн создал первое цифровое изображение из регулярного массива этих пикселей незадолго до завершения Baby. К счастью для нас, он даже сделал фото (рис. 4.2).

Рис. 4.2

Я называю это отображение Первым Светом. Со столь скромной картинки начался восход Цифрового Света. Отсюда ведется отсчет всего современного визуального мира – мира, который невозможно представить без пикселей. Важно отметить, что это была целенаправленно созданная двумерная картинка, а не произвольный бессмысленный набор точек.

Поскольку рисование картинок считалось в эпоху первых компьютеров занятием легкомысленным, историки почти не упоминали о нем. Цифровой Свет – забытая страница истории компьютеров, поэтому Первый Свет долго оставался незамеченным и непризнанным.

История начинается с великой идеи Тьюринга. Он принес нам Гибкость, первое чудо универсальных вычислительных машин – способность контролировать и выполнять бесконечное количество сложных процессов. Но ему не хватало скорости. Поначалу работа компьютера была утомительно медленной – вспомним компьютер-карточку. Тьюринг и фон Нейман знали, что сделать программное обеспечение более быстрым можно, преобразовав его в аппаратное. Реализация идеи Тьюринга в виде компьютера стала ключом к ускорению вычислений. Этого требовало второе чудо универсальной вычислительной техники – Усиление. Появление компьютера состояло из двух хорошо заметных шагов.

Я называю первый шаг, период с 1948 по 1965 год, Эпохой 1. Это была эра машин-динозавров огромных размеров, занимавших целые комнаты, но не особо умных. Они работали медленно и обладали ограниченной памятью. Baby, тоже занимавший целую комнату, поначалу располагал всего тысячей битов памяти – 128 байтов по сегодняшним меркам. Но «Малыш» ознаменовал начало эры аппаратных вычислений, первое ускорение и начало Усиления.

Ускорение в названии этой главы относится к гонке по созданию Baby и других настоящих компьютеров. Но оно подразумевает и кое-что не менее важное – ускорение выполнения операций. Компьютеры, начиная с «Малыша», сделали вычисления более быстрыми, что было и остается их предназначением.

Эпоха 2 началась в 1965 году и продолжается до сих пор. Хотя скорость компьютеров в Эпоху 1 увеличивалась, только в 1965 году появился особенно мощный вид ускорения – второе ускорение. Отсюда и ведется отсчет нынешней эры, сходной со взрывом сверхновой, когда мощность компьютеров растет экспоненциально, а их физические размеры стремительно уменьшаются. Природа этого явления определяется законом Мура: все хорошее, что есть в компьютерах, становится лучше на порядок каждые пять лет. Поразительное утверждение настолько революционно, что нам трудно его понять. В нем утверждается, что компьютеры становятся совершеннее в десять раз всего за пять лет, и это происходит каждые пять лет. Автомобиль, который в 1965 году развивал скорость 60 миль в час, по закону Мура должен разгоняться до 600 миль в час в 1970 году и до 6000 миль в час в 1975 году без увеличения цены. Ничто подобное немыслимо для автомобилей, но именно так дело обстоит с компьютерами. И это настоящее чудо. Аппаратное чудо закона Мура непосредственно привело к чуду Усиления. А Усиление сделало возможным Великую цифровую конвергенцию и создало современный мир.