Histoire des calculatrices

source : http://membres.lycos.fr/ebf/calcu.htm

L'histoire de la machine à calculer est à peu près aussi complexe que cette machine elle-même, d'abord parce que plusieurs de ces étapes sont constituées d'emprunts mutuels, un inventeur prenant à un autre un élément ou un principe qu'il modifie, ensuite parce que plusieurs de ces machines visaient à des buts différents et réalisaient des opérations différentes. Plutôt que d'une machine, il y a lieu pour cette raison de parler de plusieurs machines distinctes.
On s'accorde communément à reconnaître que le boulier ou abaque, inventé en Chine au IXème siècle avant Jesus-Christ, fut la première de toutes les " machines " à calculer. Ce n'était évidemment pas une machine puisqu'elle n'était pas mécanique, mais elle présentait déjà un grand intérêt, qui était de matérialiser des calculs arithmétiques par le déplacement de boules perforées captives sur axes et dans un cadre, chaque série de boule représentant des unités comptables différentes, un million, cent mille, dix mille, mille , cent, un, un dixième, un centième,...

On a longtemps supposé qu'elle n'eut pas de successeur avant les temps modernes, que nous situerons vers 1500. Or, cela n'est plus certain depuis la découverte d'une déroutante boîte de bronze repêchée en 1947 au large de l' île grecque d'Anticythère et comportant plusieurs roues dentées engrenées, de dimension différentes, montées sur axes ; elle est connue sous le nom d' "horloge" ou "planétarium d' Anticythère". Cet appareil calculait les positions des sept planètes connues à l'époque et constituait donc, au IIème siècle avant Jesus-Christ, un important précurseur des premières machines à calculer aussi bien que des horloges astronomiques.

Toujours est-il que l'étape suivante fut franchie en 1617 avec les "osselets " de l' Anglais John Napier, table à logarithmes mobiles, constitués de baguettes segmentées, qui permettaient de réaliser rapidement des opérations mathématiques qui eussent pris autrement de longues heures. Cet objet s'utilisait sur la base des logarithmes communs, inventés par Napier et son compatriote Henri Biggs. Il connut un grand succès, notamment parmi les astronomes et, bien sûr, les mathématiciens. 

En 1620, de fait, l'astronome et mathématiciens anglais Edmund Gunter perfectionna l'invention de Napier, bloquant les " osselets " de ce dernier sur une surface et réalisant de la sorte la première règle à calculer.
Celle-ci fut d'ailleurs affinée par son compatriote Henry Leadbetter.

En 1642, à l'âge de 19 ans, Blaise Pascal inventa une machine comportant un astucieux système d'engrenages, qui permettait de réaliser, par simple manipulation de six roues sur le couvercle d'une boîte oblongue de petite dimension, des additions et des soustractions. Les sommes apparaissent à vue dans de petites fentes placées au dessus des roues. Mais on peut supposer que l'invention du jeune Pascal est en fait une adaptation des mécanismes d'horlogerie, tout comme le fut sans doute en 1624 celle de son prédécesseur anglais William Schickard, autre machine du même genre, mais moins élaborée.

L'allemand Gottfried Wilhelm Leibniz, qui par ailleurs admirait Pascal, reprit son invention, surnommée "Pascaline", qui avait déjà remporté un succès considérable ; en 1671, il commença à la perfectionner afin de la rendre capable d'effectuer aussi les deux autres opérations arithmétiques de base, les multiplications ( par additions successives ) et les divisions ( par soustractions successives ). Il acheva son projet et sa machine fut exposée en 1694 à la Royal Society de Londres. Elle pouvait également extraire les racines carrées. On la décrit souvent sous le nom de calculatrice à étages.

Ainsi furent réalisées les deux premières machines à calculer digitales, ainsi nommées parce qu'elles réalisaient des opérations arithmétiques en comptant des nombres entiers. 

Pendant plus d'un siècle on s'efforça, mais sans grand succès, de réaliser des machines commerciales sur la base des inventions de Pascal et Leibniz.

Malgré toutes ces tentatives, les machines à calculer ne s'imposèrent cependant pas avant le XIXème siècle comme produit commercialisable. Ne répondant pas à un besoin réel, elles étaient en effet restées confinées dans les mains de mathématiciens et d'inventeurs, et n'avait jamais constitué que de simples objets de curiosité. Mais le XIXème siècle fut le témoin d'un grand bouleversement, la révolution industrielle avec l'essor du commerce et le développement du mouvement bancaire international faisant prendre désormais aux événements une tout autre tournure.
Avec le besoin sans cesse grandissant d'un développement du calcul mécanique, la nature des utilisateurs de machines à calculer changea en effet de manière radicale, passant dès lors d'une élite scientifique à un groupe social de plus en plus vaste et hétérogène.

On souhaita donc à l'époque qu'une solution mécanique fût trouvée d'urgence pour que les calculs se fissent le plus rapidement et le plus efficacement possible, avec un maximum de fiabilité et selon un coût minimal.
Dans cette course, la recherche s'orienta alors dans deux directions: l'une visant , par un perfectionnement de plus en plus poussé des mécanismes, à une grande simplicité d'usage, ainsi qu'à une sécurité optimale dans le déroulement des opérations ; et l'autre cherchant à automatiser au maximum les réflexes de l'opérateur humain, premièrement dans le but de réduire à son minimum le temps de traitement des opérations et deuxièmement pour mettre l'emploi des machines à calculer à la portée de tous.

Ce n'est qu'en 1820 que les premiers résultats de ces recherches apparurent.
D'abord, avec l'arithmomètre de l'ingénieur et industriel Alsacien Charles-Xavier Thomas, qui connut un grand succès, en effet commercial, puis avec les versions améliorées qui virent le jour un demi-siècle plus tard et qui furent réalisées par les Anglais F.S.Baldwin et W.T.Odhner.

Entre temps le mathématiciens anglais Charles Babbage s'attaquaient au problème de la rapidité avec, comme objectif, une machine qui combina les fonctions arithmétiques, comme celles de Pascal et de Leibniz, et les fonctions logiques ; cette machine devait donc prendre des décisions en fonction des résultats. Dans son projet , Babbage incorpora aussi, plus tard, la capacité de comparer des quantités et de suivre des instructions préétablies, puis d'injecter les résultats obtenus pour contrôler une seconde série d'opérations. Projet formidable pour l'époque, puisqu'il impliquait la combinaison de deux types de machines, la digitale et l'analytique, en même temps que l'association de deux types de fonctions. Pour cela, Babbage absorba la technique des cartes perforées, qui étaient alors largement utilisées dans les métiers à tisser, pour l'introduction des données ; les autres opérations étaient réalisées par l'entremise d'engrenages et de leviers.

Babbage dont il faut observer qu'il rendait hommage au génie de Vaucanson, inventeur des cartes imprimées, se situait donc au carrefour de l'automatisation, qui devait plus tard devenir l'automation, et du calcul mécanique. Authentique génie lui-même, il n'arriva pas au terme de ces recherches faute d'un capital financier et technique suffisant ; il n'avait pas la possibilité de réaliser seul l'appareillage excessivement complexe nécessaire à son projet en dépit de l'appui, très limité, que lui fournit le gouvernement anglais. Babbage qui avait exposé un prototype rudimentaire de sa première machine en 1822, celle qu'il avait appelé " machine différentielle ", parce qu'elle calculait et imprimait des tables de fonctions à l'aide de techniques différentielles préétablies, mourut sans avoir mis au point son second prototype, qui suivait un cadre d'opérations fixées ou, se qu'on appelle en informatique moderne, un programme fixe, ne pouvait en effet prétendre au titre universel. Sa machine ne fut enfin construite dans les années 70 par I.B.M ( une adaptation en avait cependant été réalisée en 1860 par la firme suédoise Scheutz ).

Babbage avait eu connaissance de ses travaux de son compatriote George Boole, dont l'algèbre sert actuellement de base à tout le calcul électronique et permet d'exprimer toutes les fonctions mathématiques sur une base binaire, 0 et 1 ( ce système est expliqué dans le II ) ; et c'est en s'inspirant de Boole, auteur du premier traité de transformation analytiques, qu'il s'attaqua à son vaste projet de calculateur universel.

Au milieu du XIXème siècle, on pouvait considérer que les grandes idées maîtresses de la machine à calculer, qu'on allait bien plus tard appeler " ordinateur ", avait été tracé par Pascal, concepteur de l'infrastructure mécanique, Leibniz, qui avait porté les capacités de la machine de Pascal, limités au comptage, au niveau des opérations arithmétiques de multiplications, divisions et extraction des racines carrées, Vaucanson, inventeur des programmes sur cartes perforées, Babbage, inventeur de la machine analytique et par l'Anglais George Boole. Ce dernier avait publié en 1847 un ouvrage majeur et précurseur, analyse mathématique que de la logique. Il y étudiait les lois fondamentales des opérations intellectuelles du raisonnement, les exprimait dans le langage arithmétique et jetait les bases de le science de la logique. C'était là une innovation prodigieuse, d'abord parce qu'elle renouvelait intégralement les données de la logique, ensuite parce qu'elle permettait d'introduire la logique dans les machines à calculer.

Jusqu'alors fondé sur le maniement du syllogisme et de la déduction , c'est à dire limiter au seul domaine de la philosophie, la logique était absorbé par les mathématiques et y trouvait une vigueur insoupçonnée. Puisque, ainsi que Boole l'avait exposé, le raisonnement était assimilable à une forme de calcul algébrique et que les symboles et les règles des mathématiques pouvait être appliquées à la solution de problèmes logiques, il devenait concevable d'injecter dans les machines à calculer les règles de la logique et donc d'étendre considérablement le champ d'actions de ces machines. Il faut toute fois préciser ici que Boole, logicien, n'assimilait pas la logique aux mathématiques : il la mettait en parallèle et en exprimant les lois sous forme mathématiques, pour exprimer les figures logiques et les syllogismes. Ce faisant, Boole avait créé l'algèbre qui porte aujourd'hui son nom et inventé le langage binaire . Les opérations algébriques pouvait s'effectuer désormais avec deux chiffres, 0 et 1. Pendant un demi-siècle, la leçon de Boole fascina le monde mathématique et philosophique. A l'instar de Babbage, Boole esseya de construire une machine selon ses principes et n'y parvient pas.

En 1879, sir William Thomson, également connu sous le titre de lord Kelvin, reprenant le projet de Boole, contourna la difficulté résidant dans la complexité d'une machine digitale.

Celle-ci étant mise en oeuvre dans sa totalité, elle posait en effet un grand nombre de problèmes techniques, tandis que le " prédicateur de marées " réalisé en 1879 ne développé qu'un travail proportionnel à l'opération requise, en l'occurrence une intégrale.

Destiné à la résolution d'équation finies, l'appareil de Kelvin ne consiste qu'en huit poulies sur des axes mus par des manivelles de portée ajustable, quatre poulies sur l'étage supérieur d'un cadre de bois, quatre sur l'étage inférieur. Deux poulies, une inférieure et une supérieure sont mises en mouvement par une cordelette attachée à un poids et à un marqueur ; étant donné que chaque poulie décrit un mouvement circulaire d'amplitude ajustable, équivalent à la somme de deux harmoniques simples on sinusoïdes, l'une horizontale et l'autre verticale, l'opération se déroule ainsi : la composante horizontale du mouvement circulaire tend à faire quitter à la cordelette sa position verticale, mais, si le rayon du cercle décrit par le mouvement de chaque poulie n'est qu'une fraction de la distance entre les deux poulies, l'effet de le composante horizontale est faible ; l'effet principal sur la cordelette est celui d'une composante sinusoïdale verticale. Le poids pendu à l'extrémité de la cordelette décrira donc un mouvement qui est la somme des composantes verticales des deux poulies.

D'une conception étonnante simple, la machine de Kelvin était en fait, non une calculatrice, mais une machine mathématiques qui pouvait par exemple, prévoir les mouvements des marées pendant un an. C'était aussi la première machine analogique. Elle ne fut réalisée de façon fiable qu'en 1930, au Massachusetts Institute of Technology.
En 1880, la machine à calculer digitale fit son entrée officielle dans les administrations, grâce à l'Américain Hermann Hollerith . Spécialiste des études statistiques, Hollerith perfectionna le principe des cartes perforées et réalisa une machine qui permettait d'établir des recensements de population trois fois plus vite qu'auparavant. Chaque carte pouvait en effet, porter seize nombres à cinq chiffres ou huit nombres à dix chiffres. Elle servit le point de départ à la future compagnie I.B.M.

Il convient de distinguer, d'un point de vue à la fois historique et analytique, entre la machine à calculer et l'ordinateur. De façon relative, on peut dire que la machine à calculer jetait les bases de a logique que l'ordinateur allait permettre de mettre en oeuvre, et qu'à l'intérieur de tout ordinateur il y a d'abord une machine à calculer.
La première calculatrice électronique de poche fut mise au point pae les Américains J.S.Kilby, J.D.Merryman et J.H.Van Tassel, de Texas Instruments en 1972, le brevet fut accordé en 1978.
Hewlett-Packard commercialisa les premières calculatrices programmables en 1976.

Un instrument performant: le boulier-compteur :

Le boulier a été le premier instrument de calcul et mérite du fait de son usage toujours actuel d'être développé. En Chine populaire, le suan pan ( nom chinois du boulier ) reste de nos jours d'un usage quasi universel. On le trouve aussi bien dans les mains d'un marchand ambulant qui ne sait ni lire ni écrire que dans celles du commerçant, du comptable, du banquier, de l'hôtelier, du mathématicien ou de l'astronome. Le maniement de cet instrument de calcul vieux de plusieurs siècles est tellement ancré dans les traditions extrême-orientales que même les Chinois et les Vietnamiens " occidentalisés " de Bangkok, de Singapour, de Taiwan et de Polynésie continuent généralement de faire tous leurs calculs au moyen du boulier.
Il est vrai que parmi tous les dispositifs de calcul figuré employés par les peuples au cours des âges, le boulier est à peu près le seul à offrir l'avantage d'une pratique relativement simple et rapide pour toutes les opérations arithmétiques. Pour ceux qui savent s'en servir, c'est un auxiliaire très utile pour effectuer de simples additions ou soustractions de nombres composés de plusieurs chiffres, ou encore pour résoudre des problèmes plus compliqués portant sur des multiplications, des divisions, voire sur des extractions de racines carrées ou cubiques.
Et les occidentaux sont généralement stupéfaits de constater à quel point la dextérité de ceux qui ont appris à s'en servir leur permet d'effectuer, en temps records, des calculs parfois très complexes.
Il y a eu même une fois au Japon un véritable match, qui opposa le Japonais Kiyoshi Matsuzaki, le champion de soroban ( nom japonais du boulier ) du Bureau de l'Epargne du ministère de l'Administration des postes à l'Américain Thomas Nathan Woods, soldat de deuxième classe de la 240ème section financière du Quartier Général des forces U.S. au Japon et qui avait été désigné comme" l'opérateur de calculatrice électrique le plus expert de l'armée du Japon ". C'était en novembre 1945, au lendemain de la Seconde Guerre mondiale. Les hommes du Général MacArthur s'efforçaient alors de démontrer aux Japonais vaincus, la supériorité des méthodes modernes d'origine occidentale.
Le match se déroula en cinq rounds comportant des opérations de plus en plus compliquées. Et qui l'emporta sur le score sans appel de 4 à 1 et avec plusieurs erreurs de la part du vaincu ? Le japonais au boulier !

Le boulier chinois :

En Chine, ce prodigieux instrument se présente généralement sous la forme d'un cadre rectangulaire de bois dur. Il est composé d'un certain nombre de broches sur lesquelles sont enfilées sept boules mobiles de bois ( ou de verre ), quelquefois légèrement aplaties. Celles-ci peuvent indifféremment se rapprocher d'une baguette transversale divisant le cadre en deux parties, de telle manière que deux de ces boules demeurent toujours au-dessus et que les cinq autres soient au-dessous de cette barre de séparation. Chacune des tiges de cet instrument correspond à un ordre décimal, et il est toujours entendu qu'une broche placée à la gauche d'une autre possède une valeur dix fois plus grande qu'elle.
Il va de soi que le nombre de ces tiges, qui, sur les bouliers courants, varie entre huit et douze, peut être porté à quinze, vingt, trente ou même d'avantage, selon les besoins du calculateur. Car, plus grand sera le nombre de ces broches, plus importants pourront être les nombres à traiter sur l'instrument : un boulier de quinze tiges par exemple, aura ainsi une capacité numérique égale à dix puissance quinze-1, soit à cent mille milliards d'unités moins une !
En général, les utilisateurs du boulier chinois ne commencent pas par les deux premières broches ( à partir de la droite vers la gauche ). Ils préfèrent se les réserver pour les fractions décimales du premier et du deuxième ordre, c'est-à-dire pour les dixièmes et les centièmes de l'unité. Dans ce cas, la troisième tige est affectée aux unitées simples, la suivante aux dizaines, la cinquième aux centaines, et ainsi de suite.

Le boulier russe :

Le boulier russe est d'une conception légèrement différente du boulier chinois. Il comporte dix boules sur chaque tige, dont deux ( la cinquième et la sixième ) sont de couleurs différentes ( permettant ainsi à l'oeil du manipulateur de discerner facilement les nombres de 1 à 10 ). Pour y représenter un nombre donné, il suffit de faire glisser, autant de boules qu'il en faut.

La machine arithmétique de Pascal

En fait, la possibilité de mécaniser le calcul arithmétique fut montrée la première fois au public en 1642, lorsque le mathématicien et philosophe français Blaise Pascal ( 1623-1662 ), alors âgé de dix-neuf ans seulement et ignorant totalement les travaux de ses prédécesseurs, construit sa fameuse Pascaline. Il l'inventa dans le but de simplifier les interminables calculs administratifs qu'il effectuait au moyen de jetons sur l'abaque à colonnes pour le compte de son père, alors surintendant de la généralité de Rouen.
La principale caractéristique de la machine de Pascal résidait dans son report automatique, dont le principe était fondé sur un dispositif mécanique composé d'une série de roues dentées, numérotées de 0 à 9, et reliées de telle manière que la rotation complète de l'une d'elles faisait avancer la sui vante d'un cran.
Il s'agissait essentiellement d'une machine à additionner munie d'un mécanisme irréversible. Mais celle-ci pouvait toit de même exécuter les soustractions grâce à un ingénieux dispositif mettant en jeu la méthode des compléments arithmétiques.

La machine de Leibniz :

Conçue en 1673, mais construite seulement en 1694, la machine de Leibniz fut donc la première calculatrice capable d'effectuer toutes les opérations arithmétiques élémentaires par des moyens purement mécaniques.
Mais, contrairement à la machine de Pascal, sa calculatrice ne fut jamais commercialisée, même si un deuxième exemplaire fut produit en 1704. Ajoutons que la machine de Leibniz n'a jamais fonctionné convenablement : ses mécanismes, beaucoup plus complexes que ceux de la Pascaline, se heurtèrent à de grandes difficultés de fabrication, la mécanique horlogère n'ayant pas encore atteint à l'époque le haut degré de précision nécessaire au montage d'une calculatrice fiable et robuste.
Il n'empêche que c'est bien Leibniz, plus encore que Pascal, qui a ouvert la voie au développement du calcul mécanique. Sur le plan technique, il a en effet apporté un nombre important de concepts nouveaux : un inscripteur permettant de poser un nombre avant de l'additionner ; un viseur de pose ; un entraîneur ; un chariot permettant l'addition et la soustraction en position fixe, la multiplication mobile orientée vers la gauche, et la division en position mobile orientée vers la droite ; un système de tambours à dents de longueurs croissantes coulissant chacun sur son axe et remplaçant dix rouages indépendants.
Bref, la contribution de Leibniz a été considérable, puisqu'elle s'est trouvée à l'origine de toute une lignée continue d'inventions qui se sont prolongées jusqu'au début du XXème siècle.