Les avatars de la machine de Babbage

La machine analytique de Babbage ayant connu la destinée que nous avons vue, il y eut diverses autres tentatives ou projets de quelques pionniers et en particulier celle de Percy LUDGATE (1883-1922). Cet inventeur irlandais, indépendamment de BABBAGE dont il ne connut les travaux que plusieurs années après le début de son étude, conçut pendant ses moments de loisirs une machine analytique universelle dont il rédigea une description complète en 1909. Cette machine comportait des solutions techniques très originales et pour certaines fort en avance sur leur époque :

• - sous-programmes fonctionnels sur des cylindres-programme (comme l'automate écrivain de Jaquet-Droz) pouvant préfigurer la microprogrammation,
• - programmation et entrée/sortie des données sur ruban de papier perforé, la perforation des résultats permettant leur réexploitation automatique
• - pilotage possible par un clavier, la suite d'opérations manuelles étant perforée sur un ruban de papier utilisable comme programme de commande pour le même calcul.

En outre, cette machine était mécaniquement simple, compacte et entraînée par un moteur électrique. Hélas Percy LUDGATE ne se préoccupa pas vraiment de la construire, ce qui est fort dommage pour l'histoire de l'informatique...

Les machines logiques à raisonner

On connait l'importance dans l'histoire des mathématiques de l'école des grands logiciens anglais du XIX^ème siècle (Auguste de MORGAN, George BOOLE, John VENN, Lewis CARROLL) qui fondèrent l'algèbre logique.
Un économiste, mathématicien et logicien anglais, William Stanley JEVONS (1835- 1882) eut l'idée de construire une machine logique qui réalisait les opérations de l'algèbre logique binaire inventée par George BOOLE. Sa machine, appelée piano logique fut construite en 1869. Elle était uniquement destinée à l'apprentissage de l'algèbre de Boole. Les expressions logiques étaient introduites par un clavier et le résultat (vrai ou faux) était affiché.
Une autre machine logique fut construite en 1911 par un des plus féconds inventeurs de l'histoire : Leonardo TORRES Y QUEVEDO (1852-1936). Ingénieur des Ponts et Chaus-sées, logicien, automaticien, TORRES Y QUEVEDO fut l'auteur d'innombrables inventions et réalisations (ponts suspendus, téléfériques, funiculaires, calculateurs analogiques, télécomandes par voie hertzienne, ballons dirigeables, etc.) Il réalisa à partir de 1911 des jeux d'échecs électromécaniques qui gagnaient des fins de partie ultra-simples (une tour et un roi) face à un joueur humain.
Mais surtout TORRES Y QUEVEDO est l'auteur d'un ouvrage fondamental : le premier traité moderne sur l'automatisme (Essai sur l'automatisme, 1915). Il y décrit les fonctions les plus générales de tout automate : les organes sensoriels, les organes d'action, l'énergie d'entretien, la capacité de raisonnement. En outre, il se livre à une analyse de la machine de BABBAGE dont il montre l'intérêt et appelle à des technologies qui en permettraient la réalisation. Il semble aujourd'hui que ce texte, plus largement connu qu'on ne l'a longtemps pensé, ait joué un rôle décisif dans nombre de réalisations de notre siècle.
En 1937, Claude SHANNON, jeune et brillant spécialiste des transmissions et des systèmes de commutation travaillant au M.I.T. fit une remarque fondamentale. Il montra que les règles de l'algèbre logique à 2 états élaborée en 1847 par George BOOLE et qui étaient applicables à tout raisonnement logique étaient entièrement réalisables à l'aide de circuits à relais électriques. Cette célèbre publication (A Symbolic analysis of relays and switching circuits) fut republiée en 1938 dans les célèbres Transactions of IEE et donc très largement diffusée.
Ce jeune scientifique travaillait sous la direction de Vannevar BUSCH et Norbert WIENER. Il fit plus tard à la Bell Telephone d'autres travaux fondamentaux sur la théorie de l'information et des transmissions.
En fait, en 1886, deux logiciens et ingénieurs anglais (Charles PEIRCE et Allan MARQUAND) avaient fait la même remarque mais leurs travaux restèrent ignorés... Sans parler de Paul EHRENFEST, physicien autrichien ami d'Albert EINSTEIN en 1910. Le relais électrique, d'usage courant en télégraphie, avait été inventé par Joseph HENRY en 1831.

Une conséquence fondamentale de cette découverte, c'est la possibilité de réaliser concrètement une machine exécutant toute opération logique et donc, pensait-on alors, toute opération intelligente. Si maintenant nous en connaissons les limites, il est essentiel de connaitre les fonctions élémentaires que toute technologie (mécanique, relais électriques, circuits électroniques à transistors ou à tubes, systèmes à fluides, optique, etc..) doit réaliser pour pouvoir construire tout automate logique, donc entre autres un ordinateur. À savoir :

• -- La réunion logique (fonction ou)
• -- L'intersection logique (fonction et)
• -- La négation logique (fonction non)

L'irruption et les développements de la mécanographie. La carte perforée.

Indépendamment du calcul, le XIX^ème siècle connut un important développement des moyens mécaniques de traitement et de transmission des informations. Bien sûr tout ce qui était conçu était prolongement direct de l'action humaine. Qu'il s'agisse de la machine à écrire ou du télégraphe.
La machine à écrire connut une longue histoire depuis les premières idées de Henry MILL en 1714, et les réalisations de von KNAUS (1753), PINGERTON (1780), etc. De 1830 à 1866, des dizaines de modèles furent créés. Et en 1866, Christopher SHOLES, Carlos GLIDDEN et Samuel SOULÉ réalisérent aux USA la première machine à écrire moderne. La technologie des machines à écrire jouera un rôle important dans les progrès des calculatrices (mécanique de précision, commandes par touches, impression).
Le télégraphe conduisit pour la première fois à utiliser l'électricité comme support d'information, et le code créé par Samuel MORSE en 1837 fut le premier code télégraphique, ancêtre du code Baudot, puis de l'ASCII.

Et là se situe une invention fondamentale: celle de la mécanographie automatique à carte perforée.
Se posaient de plus en plus au cours du XIX^ème siècle des problèmes de traitements de très grandes masses d'informations diverses avec des calculs très réduits voire nuls (tris, classements, recherches, totalisations). En particulier lors des opérations de recensement.
Confrontés à des transformations profondes de population dus à des immigrations massives, les États Unis mirent en place dès 1790 une politique de recensements systématiques réguliers. Cette tâche devenait de plus en plus énorme. En 1880, le dépouillement du recensement dura 7 ans pour 50 millions d'habitants. Un jeune ingénieur, Herman HOLLERITH travaillant en 1879 comme vacataire au bureau de recensement pensa qu'une solution automatique devait pouvoir être trouvée. Plus tard, ayant ouvert une agence d'ingénierie, il s'attaqua au problème. Et en 1884, il réalisa les prototypes et prit des brevets sur ce qui était le départ d'une révolution dans le traitement des informations : la carte perforée comme support universel d'information et les équipements permettant de les lire, de les manipuler, de les trier.
Il s'agit d'un simple rectangle de carton où on fait des trous, qui peut être lu par une machine, classé, trié. HOLLERITH réalisa une poinçonneuse à main, une machine à lire et totaliser et une machine à trier. Évidemment le tout était piloté à la main. Mais toutefois le succés fut immense : le recensement de 1890 ( 62.622.250 personnes ) fut dépouillé en 6 mois.
Herman HOLLERITH fonda une société qui porta son nom, et toute une industrie se répandit dans le monde (Canada, USA, Russie, Autriche, France) avec l'émergence de firmes concurrentes :
En 1909 James POWERS (Grande Bretagne) inventa la tabulatrice qui imprimait le contenu des cartes. Sur les machines Hollerith, on devait lire les compteurs, les recopier à la main et les remettre à zéro. POWERS fonda une société qui devint SAMAS et existe toujours après divers avatars sous le nom d'ICL.
En 1919 Fredric Rosen BULL (norvégien) inventa la tabulatrice imprimante parallèle, la trieuse mécanique automatique et incorpora pour la première fois dans une machine mécanographique à cartes des fonctions élémentaires de calcul. Ses travaux furent développés en France par la firme qui porta (et porte toujours) son nom.
Nous verrons que l'industrie de la mécanographie joua un rôle essentiel dans la construction de la grande industrie informatique. Signalons simplement que la société HOLLERITH changea de nom pour devenir IBM.

Les grandes réalisations des années 40

Tant les développements techniques (relais et tubes électroniques) que les résultats de SHANNON et des besoins de très gros calculs conduisirent à la fin des années 30 à de multiples initiatives pour réaliser de grands calculateurs universels.
Nous mentionnerons les plus célèbres.
Le MARK 1, conçu en 1937 par Howard AIKEN, mathématicien à l'Université de Harvard fut un monstre légendaire. C'était une gigantesque machine de Babbage électro-mécanique à relais. Elle pesait 5 tonnes, mesurait 16 mètres de long, 2 m 60 de haut, était entraînée par un moteur de 5 chevaux, était constituée pour l'essentiel de relais décimaux. Elle était alimentée par cartes ou ruban perforés. Le projet séduisit le PDG d'IBM (Thomas WATSON) qui le finança puis à la suite d'une rupture en fit construire une version sous le nom de ASCC (Automatic Sequence Controlled Calculator). Le MARK 1, inauguré en 1944, était dépassé dès sa naissance, mais le caractère spectaculaire de cette machine fit très forte impression dans le monde entier.
La réalisation de l'ENIAC (Electronic Numerical Integrator, Analyser and Computer) fut entreprise en secret en 1943 par Presper ECKERT et John MAUCHLY à l'Université de Pennsylvanie avec la collaboration de John ATANASOFF, inventeur de nombreux circuits de calcul à tubes électroniques. Il avait réalisé en 1939 à l'Université d'Iowa le premier additionneur à tubes électroniques. L'ENIAC était aussi un monstre : 17.468 tubes électroniques et 1600 relais, 30 tonnes, 150 kWatt, plus deux puissants moteurs. Occupant 160 m² au sol. Cette machine fut inaugurée le 15 février 1946.
Mais en 1944 avait eu lieu une rencontre historique : celle du responsable de l'ENIAC et du célèbre mathématicien John von NEUMANN (1903-1957). Invité à travailler sur l'ENIAC, von NEUMANN en fit, à partir de sa vaste culture scientifique une critique structurelle décisive. L'ENIAC, comme le MARK 1 était une machine de Babbage à programme externe. Von NEUMANN montra qu'en enregistrant le programme dans la mémoire en même temps que les données, on avait un automate qui avait les propriétés de la machine de Turing, et donc une machine algorithmique universelle.
Et alors que l'ENIAC était encore en chantier, la conception d'une machine totalement nouvelle appelée EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) fut entreprise sous la direction de von NEUMANN par l'équipe de l'ENIAC et fit l'objet d'une célèbre publication du 30 juin 1945. Il s'agit de la première description d'un ordinateur, qu'on appelle aussi machine de von Neumann. Comme on pensait toujours que toute opération intelligente pouvait faire l'objet d'un algorithme, on pensait avoir là la machine intelligente universelle et on appela alors partout les ordinateurs << cerveaux électroniques >>.
Aux USA, eut lieu une extraordinaire et complexe bataille de brevets avec d'énormes enjeux industriels compliquée par le fait que, scientifique, von NEUMANN avait mis ses idées dans le domaine public alors qu'ECKERT et MAUCHLY voulaient en faire une exploitation commerciale. Ceci fit perdre beaucoup de temps aux USA. Les premières réalisations industrielles n'en furent faites qu'en 1951 (UNIVAC 1 et IBM 701) malgré la tentative maladroite d'IBM avec le SSEC (Selective Sequence Electronic Computer) en 1948.

Le premier ordinateur construit.

Et le premier ordinateur construit le fut en Grande Bretagne en 1947 selon les idées de John Von NEUMANN par Maurice WILKES. Connaissant parfaitement les grandes réalisations américaines et conscient de la justesse des idées de Von NEUMANN, WILKES obtint les moyens de construire à l'Université de Cambridge sous le nom d'EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer) le premier calculateur universel à programme enregistré, donc le premier ordinateur qui entra en service en 1949.
En fait dès 1946, Max NEWMAN aidé d'Alan TURING avait entrepris à l'Université de Manchester la construction du premier ordinateur, mais il ne fonctionna qu'après l'EDSAC.

Bletchley Park et Alan TURING

Il fallut attendre 1975 pour que, couverts jusque là par le secret militaire, fussent connus les importants travaux réalisés durant la guerre en Grande Bretagne. L'un des services les plus importants attendus du calcul automatique était le décryptage rapide des messages chiffrés envoyés par les ennemis en temps de guerre. L'Allemagne se trouva disposer dès 1934 d'une machine mécanique à chiffrer conçue au départ (en 1919) par un hollandais pour assurer le secret des transactions commerciales. Cette machine très ingénieuse nommée ENIGMA, unique au monde, fut bien évidemment largement utilisée par l'armée allemande. L'Allemagne l'avait retirée du marché commercial mais de rares exemplaires avaient pu être achetés en Pologne et aux USA, ce qui s'avéra précieux par la suite.
Les principes de l'ENIGMA, connus en France permirent les premiers travaux visant à en décrypter les codes. La Pologne disposant, elle, d'une machine ENIGMA d'origine réalisa des prototypes d'une version militaire dénommée BOMBA. Lors de l'invasion de 1939, ils furent transmis à la France et à l'Angleterre. Et finalement tout se retrouva à Londres...
Et on alla chercher sur son campus le célèbre mathématicien Alan TURING qu'on installa dans un domaine ultra-secret, Bletchley Park, afin de travailler sur les problèmes stratégiques du Chiffre. Sa première mission fut évidemment de casser le code de l'ENIGMA. Il en réalisa d'abord une version ultra-perfectionnée opérationnelle en 1940.
Puis, en collaboration avec Maxwell NEWMAN, Turing construisit une série de machines permettant le décryptage automatique des milliers de messages chiffrés par les ENIGMAs en service dans les armées allemandes et qui parvenaient chaque jour à Bletchley Park.
La première série, celle des Robinson, démarra en 1942. Les Robinson faisaient usage de tubes électroniques et étaient pilotées par des rubans de papier. Il s'agissait de machines à calculer spécialisées sans mémoire interne mais à très hautes performances.
La critique des faiblesses des Robinson conduisit à la conception d'une nouvelle série de machines appelées COLOSSUS. Toute la conception fut revue à partir de l'expérience des Robinson. Le COLOSSUS I entra en service en décembre 1943. Il comportait 1500 tubes électroniques, l'entrée des données se faisait avec un lecteur de ruban perforé de papier à 5000 caractères par seconde (50 km/h). On verra que la Grande Bretagne aura longtemps une grande suprêmatie dans la technologie du ruban perforé.
Le succés du COLOSSUS I conduisit à la conception et à la construction du COLOSSUS II qui entra en service en juin 1944. Il comportait 2500 tubes, plusieurs lecteurs rapides en entrée, etc. Plusieurs dizaines en furent construits. Ces machines étaient à la fois plus ingénieuses et plus puissantes que le MARK I. Elles travaillaient en numération binaire, se programmaient par tableau de connexions pour des fonctions fréquemment utilisées, disposaient de plusieurs registres de calcul et même d'une instruction de branchement conditionnel selon l'idée qu'avait eue Ada Lovelace un siècle avant.
Il est incontestable que les discrètes réalisations de Bletchley Park étaient fort en avance sur les spectaculaires grandes machines américaines. On verra que certaines des idées et solutions techniques des COLOSSUS se retrouveront ultérieurement dans l'industrie informatique britannique.
Quant-à Alan TURING, qui était passé directement du College au campus de Cambridge, puis de celui-ci au domaine fermé de Bletchley Park, il fut enfin lâché dans la vie civile quelques années après la guerre. Poursuivi pour homosexualité par la justice britannique, il préféra se suicider le 7 juin 1954 en mangeant une pomme qu'il avait préalablement piquée au cyanure, pour éviter le sort d'Oscar Wilde.

L'aventure isolée de Konrad ZUSE

En 1936 un jeune ingénieur en aéronautique allemand, Konrad ZUSE (1910-1995), entreprit dans l'appartement de ses parents à Berlin la construction d'un calculateur universel automatique à programme externe réalisé en technologie à relais électromécaniques. Une autre particularité de cette machine était l'emploi de la numération binaire dont Zuse avait vu l'intérêt technique. Konrad ZUSE connaissait les travaux de Torres y Quevedo et de Schannon mais pas ceux d'Alan Turing.
Aux prises avec l'incompréhension et les aléas de la guerre, Konrad ZUSE construisit de manière quasi-artisanale entre 1937 et 1944 une série de machines électromécaniques incontestablement en avance sur toutes les autres réalisations mondiales. La plupart furent détruites lors des bombardements de la guerre. La dernière en date (V4), déménagée lors de la retraite des armées allemandes; se retrouva dans une ferme de Bavière.
Les occupants américains, qui récupéraient le potentiel scientifique et technique de l'Allemagne (en particulier dans le domaine des fusées), ne furent pas intéressés. Mais un scientifique suisse, Edouard STIEFEL, qui connaissait bien les grands travaux américains, prit contact avec ZUSE et récupéra cette réalisation pour l'École Polytechnique de Zürich (ETH) où elle entra en exploitation le 11 Juillet 1950 sous le nom de Z4. .
Konrad ZUSE n'a ni inventé ni pressenti l'ordinateur. Mais ses réalisations, à mettre en parallèle avec le MARK1 sont antérieures et techniquement beaucoup plus élégantes. Il a été le premier constructeur d'une machine de Babbage à relais, binaire et travaillant de plus sur des nombres en virgule flottante (comme le préconisait Torres y Quevedo). Par ailleurs, il a défini sous le nom de Plankalkul une première forme de langage de programmation indépendant de la machine d'exécution.

En France...

En 1936 Louis Couffignal, brillant spécialiste du calcul mécanique, avait proposé de faire construire à l'Université une machine à relais commandée par un ruban perforé. Les démarches visant à faire aboutir son projet furent interrompues par la guerre. Après la guerre il entreprit dans des conditions difficiles la construction d'un calculateur à tubes. Sa première réalisation, entrée en service en 1950 n'était qu'un simple calculateur rapide mais sans mémoire et à programmation externe par bande.

Bibliographie

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CARROLL Lewis (dessins de Max ERNST) - Logique sans peine - Paris, Hermann, 1966.
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IFRAH Georges - Histoire Universelle des Chiffres - Paris, Laffont (Bouquins), 1994.
LIGONNIÈRE Robert - Préhistoire et histoire des ordinateurs - Paris, Laffont, 1987
MOREAU René - Ainsi naquit l'informatique - Paris, Dunod, 1981
RAMUNNI Girolamo - Louis Couffignal, un pionnier de l'informatique en France in Actes du colloque sur l'Histoire de l'Informatique en France - Grenoble, INPG, 1988