27. Charles Babbage, 1791 – 1871; ontwerper op papier van de eerste computer

Charles Babbage, 1791 – 1871; ontwerper op papier van de eerste computer

charles-babbage-omstreeks-1850

Charles Babbage wordt algemeen gezien als degene die als eerste het concept van een ‘computer’ bedacht. In zijn ontwerp van zijn ‘Analytical Engine’ uit 1835 zien we de essentiële basisonderdelen terug van een computer. Zo omvatte zijn machine een invoergedeelte (de data en de programmaregels, welke werden ingevoerd met behulp van een soort ponskaarten), een centrale verwerkingseenheid (de ‘CPU’ in de huidige computerterminologie; ‘Mill’ in de terminologie van Babbage) en een opslagruimte voor gegevens en programma’s (de ‘Hard Disk’ zoals in die computers van vandaag de dag ook te vinden is; de ‘Store’ zoals Babbage dit in zijn ontwerp noemde). Ook had het apparaat een koppeling met een machine die als een soort printer fungeerde. Babbage heeft tientallen jaren geprobeerd om een werkend exemplaar te bouwen. Hij slaagde daar echter niet in. Het werd simpelweg te groot (afgebouwd zou hij uit 25.000 delen hebben bestaan, 30 meter lang en tien meter breed zijn geweest en 15 ton hebben gewogen), maar zijn opzet was goed.

babbage-mill

Een deel van de “Mill” (de CPU) van de ‘Analytical Engine’ zoals deze te zien is in het Science Museum in Londen; Bij het overlijden van Babbage in 1871 had hij slechts een klein deel van de machine gebouwd, waaronder dit deel. (Foto John Cummings.)

Charles Babbage

Charles Babbage werd op 26 december 1791 in Londen geboren. Hij was het oudste kind van Betsy en Benjamin Babbage, een rijke Engelse bankier. Hij had twee jongere broertjes, die allebei jong stierven en een zusje dat hem zou overleven. Als kind werd de jonge Charles naar een dure privéschool gestuurd. Charles was een erg nieuwsgierig kind. Zo had hij de neiging om zijn speelgoed open te breken om te kijken hoe het in elkaar zat. Op een dag bezocht hij met zijn moeder in Londen het automatenmuseum van Jan-Joseph Merlin. Hij was diep onder de indruk van alle automaten die hij er zag. Later zou hij, na de dood van Merlin, op een veiling één van diens automaten – een danseres die op een rond draaiend platform danste – kopen. Hij zou het apparaat helemaal uit elkaar halen – om te kijken hoe het werkte  – en het daarna weer in elkaar zetten.

Toen Charles acht jaar oud was, werd hij ziek. Hij kreeg een hoge koortsaanval. Het was kantje boord maar hij overleefde het. Nadat de koorts was gezakt, stuurden zijn ouders de danig verzwakte Charles naar het platteland om hem daar aan te laten sterken. De onderwijzers van de plaatselijke school kregen de uitdrukkelijke instructie van zijn ouders om de hersens van de jonge Charles vooral niet te veel vermoeien. Dat zou maar slecht voor hem zijn. De onderwijzers volgden nauwgezet deze instructie op. Later zou Babbage zeggen dat deze “tijdelijke hersenluiheid” de reden was dat hij als volwassene vaak nog als een kind redeneerde, wat hem een onbevangen uitgangspositie gaf om problemen op te lossen.

Charles bleef nog een poos tobben met zijn gezondheid, maar toen het weer beter met hem ging, stuurden zijn ouders hem opnieuw naar privéscholen toe. Zo belandde hij onder andere als adolescent op de Holmwood Academy in Enfield Town, vlakbij Londen. Hij was een slimme leerling. Vooral de wiskunde sprak hem erg aan en de liefde hiervoor bloeide helemaal op toen hij in de bibliotheek van de school allerlei boeken aantrof van beroemde wiskundigen. Charles verslond ze. Toen hij in 1810 naar Cambridge vertrok om daar te studeren, constateerde hij tot zijn teleurstelling dat hij al meer van de wiskunde begreep dan veel van zijn docenten.

Met een aantal bevriende medestudenten, waaronder de later beroemde wetenschappers John Herschel – de zoon van William Herschel, de man die de planeet Uranus ontdekte – en George Peacock, richtte hij in 1812 ‘The Analytical Society’ op. De vereniging hield zich vooral bezig met allerlei wiskundige problemen. Charles deed op Cambridge ook aan sport. Zo schaakte hij, speelde hij tafeltennis en had een eigen roeiboot. De vrienden die hij voor tochtjes uitzocht, werden vooral geselecteerd op hun spierkracht, want aan het roeien zelf had Charles een broertje dood. Hij genoot liever van de natuur tijdens de boottochtjes.

In 1814 studeerde hij af. Hetzelfde jaar trouwde hij met Georgiana Whitmore, dit ondanks bezwaren van zijn vader. Deze had niks tegen zijn toekomstige schoondochter maar vond dat Charles te jong was om te trouwen. Charles en Georgiana zouden acht kinderen krijgen, vijf daarvan stierven er voor hun twintigste. Ondanks de bezwaren van zijn vader tegen het huwelijk, bleef deze Charles met een jaarlijkse bijdrage van 300 pond financieel steunen – een aanzienlijk bedrag in die tijd – waardoor Charles zich met de wetenschap bezig kon blijven houden.

In 1815 doceerde hij astronomie aan de Royal Institution in Londen. Een jaar later werd hij gekozen tot lid van de ‘Fellowship of the Royal Society of London’. In 1820 richtte hij de Astronomical Society op. De eerste president van de Society was zijn studievriend William Herschel. De vereniging hield zich onder andere bezig met het maken van overzichten waarop te zien was hoe de sterrenhemel er gedurende de loop van het jaar uit zag. Deze overzichten waren van belang voor de navigatie van schepen. De bestaande tabellen bevatten vaak fouten, iets waaraan Babbage zich behoorlijk kon ergeren.

Dat Babbage iemand was die van nauwkeurigheid hield blijkt ook wel uit een brief die hij zond aan de dichter Alfred Tennyson. In diens gedicht ’Vision of Sin’ komt de regel: ‘Every moment dies a man, / every moment one is born’ voor. Babbage schreef: “Als dit waar is, dan zou de wereldpopulatie niet groeien. In werkelijkheid ligt het geboortecijfer iets boven het sterftecijfer. Ik stel dan ook voor dat u in de volgende uitgave van uw gedicht de regel verandert in: ‘Every moment dies a man, every moment 1 1/16 is born’. Strikt formeel gezien omvat het werkelijk verhoudingsgetal meer cijfers achter de komma, maar deze kan ik niet allemaal kwijt in uw regel. Maar naar mijn mening is een getal van 1 1/16 voldoende nauwkeurig voor uw gedicht.’

In 1821 waren Herschel en Babbage weer eens aan het mopperen over fouten in allerlei tabellen. Herschel merkte toen op dat ze eigenlijk een automaat zouden moeten hebben die tabellen foutloos kon uitrekenen. Met zijn kinderlijk enthousiasme riep Babbage toen uit: “Maar dan gaan we die toch bouwen!” Babbage ging daadwerkelijk aan de slag. Een jaar later stuurde hij naar de Astronomical Society een voorstel voor een dergelijke machine met de titel:  “Note on the application of machinery to the computation of astronomical and mathematical tables.”

Het voorstel omvatte een ontwerp voor een ‘Difference Engine’, een gigantisch grote rekenmachine die met behulp van differentiaal vergelijkingen allerlei lastige berekeningen zou kunnen maken, waaronder logaritmes en trigonometrische functies. Ook kon de automaat gebruikt worden om tabellen te maken met de posities van de sterren gedurende het jaar. Het ontwerp omvatte ook een ‘printer’. De Astronomical Society besloot om er een budget van 1500 pond voor vrij te maken zodat Babbage zijn ontwerp kon gaan bouwen. En omdat de Engelse overheid grote behoeft had aan nauwkeurige sterrenhemel-tabellen voor de scheepvaart, besloot deze ook om het project te financieren. Zij stelden een budget van 1700 pond ter beschikking. Dat moest genoeg zijn om het ontwerp te bouwen dachten ze.

Het zou een eindeloos project worden. Alleen al om de machine te kunnen bouwen, moesten er eerst allerlei speciale instrumenten worden gemaakt. Veelal deed Babbage dit zelf. Hij was er samen met een assistent jarenlang mee bezig. Het budget vloog er door heen, maar de overheid besloot om het project te blijven financieren. Babbage stopte er ook eigen geld in, iets waar hij sinds 1827 in ruime mate over beschikte. In dat jaar was namelijk zijn vader overleden en deze liet hem een som geld van ongeveer 100.000 pond na.

Het jaar 1827 was overigens een rampjaar voor Babbage. Niet alleen overleed dat jaar zijn vader maar ook zijn vrouw, een kind in het kraambed en zijn op een na oudste zoon. De terneergeslagen Babbage onderbrak op aanraden van zijn vriend Herschel maandenlang zijn werkzaamheden aan de Difference Engine en maakte een reis door België, Nederland, Duitsland, Frankrijk en Italië waar hij allerlei universiteiten en fabrieken bezocht.

Na terugkomst ging hij weer enthousiast aan het werk. Het was echter voor die tijd technisch gezien een te moeilijk en te complex project. Hij kreeg ook ruzie met zijn assistent die niet in een speciaal gebouwde min of meer stofvrije kamer wilde werken. Babbage slaagde er dan ook niet in om tot een werkende automaat te komen. In 1834 stopte de Britse overheid met de financiering. Op dat moment hadden ze er in totaal al 17.000 pond in geïnvesteerd – tien keer zo veel als oorspronkelijk de bedoeling was; kosten-overschrijding bij overheidsprojecten is nu eenmaal van alle tijden. Een in 1847 door hem bedachte, maar eveneens nooit voltooide verbeterde tweede kleinere versie van de automaat – ‘de Difference Engine No 2‘ – werd in 1991 door het Britse Science Museum in Londen nagebouwd op basis van de originele plannen van Babbage. Zowel de machine als de printer bleken te werken.

babbage-onderdeelEen bouwtekening van een onderdeel van de Difference Engine 1

babbage-diff-engine

De Difference Engine 2, zoals deze te zien is in het London Museum of Science. Deze bestaat uit 4000 onderdelen. De machine weegt 2600 kg De Difference Engine 1 zou twee keer zo groot geweest zijn bij voltooiing (Foto Allan J. Cronin)

Dat de overheid in 1834 met de Difference Engine stopte, was iets waar Babbage niet erg lang mee zat. Hij had namelijk dat jaar het idee gekregen voor een nog veel mooiere machine: de ‘Analytical Engine’. Dat was niet alleen een automaat waar je net zoals met de Difference Engine allerlei berekeningen mee kon maken, maar het was ook een apparaat dat nog veel meer kon. Met de kennis van nu zouden we het apparaat kunnen betitelen als de eerste programmeerbare computer ter wereld.

babbage-1833

Charles Babbage zoals hij in 1833 afgebeeld stond in het blad Mechanics Magazine; editie 1 mei 1833

Het ontwerp omvatte alle essentiële kenmerken van een moderne computer, zoals een invoergedeelte voor het programma en de gegevens – dit geschiedde met ponskaarten; deze waren overigens niet door Babbage bedacht maar waren al eerder uitgevonden. Ze werden in de textielindustrie gebruikt om weefmachines patronen te laten weven.

Wel nieuw in het ontwerp was het idee van een centrale verwerkingseenheid (de ‘CPU’ in de huidige computerterminologie; ‘Mill’ in de terminologie van Babbage) en een opslagruimte voor gegevens en programma’s (de Hard Disk zoals in die computers van vandaag de dag te vinden is; de ‘Store” zoals Babbage dit in zijn ontwerp noemde.) Zijn “store” had de capaciteit om 1000 getallen van elk 40 tekens groot op te slaan. Dat komt ongeveer overeen met een harde schijf van 16 kb. (Ter vergelijking: de harde schijf van IBM’s eerste computer uit 1956 had een harde schijf van 5 mb.)

babbage-ponskaarten-karoly-lorentey-flickr

Ponskaarten zoals die bestemd waren voor de ‘Analytical Engine’. De kleinere kaarten op de voorgrond zijn ‘Operational Cards’ die de uit te voeren wiskundige bewerkingen aangeven zoals vermenigvuldigen, delen, optellen of aftrekken. De grotere kaarten op de achtergrond zijn ‘Variable Cards’, waarmee data kan worden ingevoerd en waarmee kan worden aangegeven waar op de “harde schijf’ de uitkomsten van de berekeningen moesten worden opgeslagen (foto Karoly Lorentey; Flickr / Wikipedia) Naast deze twee type ponskaarten kon de machine nog een derde type ponskaarten lezen waarmee formules konden worden ingevoerd.

De machine kon veel meer dan alleen het maken van berekeningen. Eén van de nieuwigheden die Babbage had bedacht was dat de machine, indien hij daartoe geïnstrueerd werd, uitkomsten kon gebruiken als input voor nieuwe berekeningen. “Eating its own tail” noemde Babbage dit. Daardoor zou de machine bijvoorbeeld ook grafieken kunnen maken. Een van degenen die Babbage hielp met het bedenken van programma’s voor zijn Analytical Engine was Ada Lovelace (zie haar portret elders op deze site). Dankzij haar ontwerp voor een programma om met behulp van de Analytical Engine van Babbage Bernouille-getallen te berekenen, zou zij de geschiedenis in gaan als werelds eerste programmeur. Charles Babbage geldt vandaag de dag dankzij zijn ontwerp voor de Analytical Engine als de ontwerper van de eerste computer ter wereld.

Maar helaas net zoals bij de Difference Engine gold ook voor zijn Analytic Engine dat hij met het ontwerp zijn tijd te ver voor uit was. Ook deze machine was met de toen voor handen zijnde techniek te groot en te complex om te bouwen. De ‘store’ alleen al zou meer dan acht meter lang zijn en uit duizenden onderdelen bestaan. In totaal tekende Babbage meer dan 8500 bouwtekeningen voor zijn machine. Hij kreeg de bouw echter niet gefinancierd. Na de mislukking met de Difference Engine wilde de overheid geen geld meer in de bouwsels van Babbage stoppen. Babbage stopte er daarom vooral eigen geld in. Hij zou er tot aan zijn dood in 1871 aan blijven werken, maar veel verder dan het bouwen van een klein aantal onderdelen, zoals een deel van de mill kwam hij niet.

Een van de redenen dat Babbage er niet in slaagde om het apparaat af te bouwen was, dat hij tussendoor ook vaak bezig was met allerlei andere wetenschappelijke zaken en uitvindingen. Zo staat hij ook te boek als de bedenker van de ‘Cow Catcher’, het metalen frame dat je vaak aan de voorkant van een locomotief ziet zitten en waarmee obstakels van de rails kunnen worden geschoven. Ook verschenen er meer dan 60 publicaties van zijn hand, onder andere over astronomie, cryptologie en filosofie. Zijn boek met logaritmetabellen voor de natuurlijke getallen 1 tot en met 108.000 werd zelfs een internationale bestseller. Het verscheen in meer dan 20 talen (dat vertalen was overigens niet zo’n probleem; het zijn vooral eindeloze pagina’s met getallen; alleen de kopregels moesten vertaald worden.) Daarnaast was Babbage van 1828 tot 1839 hoogleraar Wiskunde in Cambridge.

Wie nu denkt dat Babbage altijd met zijn hoofd in de boeken en cijfers zat, heeft het mis. In 1832 deed hij een vergeefse poging om gekozen te worden in het parlement. Daarnaast was Babbage een graag geziene gast op de soirees van de betere kringen, waar hij vaak zijn gehoor vermaakte met allerlei boeiende verhalen. “Charles Babbage komt ook” was een kreet waarmee menig gastheer c.q. gastvrouw extra bezoek genereerde.

babbage-1860

Charles Babbage omstreeks 1860.

Na zijn dood raakte zijn ontwerp voor de Analytical Engine in de vergetelheid. Pas honderd jaar nadat Charles Babbage het concept voor een computer al had bedacht, werd de computer als het ware opnieuw uitgevonden