Machines à calculer

Les machines de Pascal et de Liebniz (celle de Schickard étant déjà oubliée) avaient clairement montré la possibilité de mécanisation du calcul numérique. Par contre, la mécanique de précision n’étant encore suffisamment développée à cette époque, elles n’étaient pas entièrement fiables et qui plus est, elles étaient fort dispendieuses à produire. Parallèlement, bien que les calculs (principalement commerciaux) commençaient à prendre de l’importance, motivant ainsi la mécanisation du calcul, il fallait attendre encore le développement de grosses entreprises commerciales et bancaires pour que le besoin de machines à calculer fiables et pratiques se fasse réellement sentir.

Arithmomètre de Thomas

Charles Xavierb Thomase (1785-1881 industrielle, aidé par les progrès techniques, réussit à fabriquer la première machine que l’on peut qualifier de véritablement pratique: l’Arithmomètre. Ces machines produites de 1821 à 1878, ont réellement marqué l’histoire du calcul mécanique en devenant les premières machines commercialisées de façon importante et ce, avec succès.

Bien qu’ils soient grandement inspirés de la machine de Liebniz, les Arithmomètres de Thomas intégraient de nouveaux mécanismes, le tout dans une machine pratique et d’une fiabilité inégalée auparavant.

Le principe de base des calculs repose encore sur l’utilisation d’un chariot mobile et d’un tambour à dents inégales similaires à celui de Liebniz, à la différence proche que l’inscripteur, maintenant composé de curseurs déplacables dans des rainures graduées, ne déplace plus le tambour en entier, mais plutôt un pignon relié au totaliseur. Il n’en demeure pas moins que c’est encore en variant le nombre de dents agissant lors d’un tour de manivelle que l’on réalise les opérations. Autre différence avec le modèle de Liebniz, c’est maintenant la partie contenant les lucarnes de lecture et les totaliseurs qui est mobile horizontalement, ce qui ne change rien au principe de fonctionnement

Les ajouts faits par Thomas, sont tout de mme importants. D’abord, l’ajout d’un mécanisme à crémaillère rendant simple l’effaçage des données (remise à zéro des indicateurs) était un ajout des plus pratiques pour les utilisateurs. Qui plus est, la création d’un système permettant l’inversion du mécanisme, facilite les opérations de soustraction et de division. Une autre amélioration intéressante est l’ajout d’une deuxième série de lucarnes qui, directement reliées à la manivelle, permet de compter les tours réalisés par cette dernière et donc d’afficher le multiplicateur. Lorsque la machine est utilisée pour une division, ces lucarnes affichent le quotient car, dans ce cas, c’est le diviseur qui est inscrit aux curseurs et le nombre de tours nécessaires (à chaque ordre décimal) à l’utilisateur pour obtenir un nombre plus petit que le reste détermine les différents chiffres du quotient. De plus, le système de blocage des roues que Thomas a mis au point était fort efficace, tout comme son système de report de la retenue, qui se faisait en cascade de façon irréprochable.

Il réussit à vendre près de 1500 exemplaires divers d’Arithmomètres dont 1000 entre 1865 et 1878. Ces machines, bien que dispendieuses pour l’époque, permettaient d’accélérer considérablement la réalisation des calculs et trouvaient preneur majoritairement dans des grandes entreprises, des banques, des compagnies d’assurance, mais encore relativement peu dans le domaine scientifique. Il est à noter que, bien que l’Arithmomètre soit hautement plus rapide qu’un homme entraîné pour réaliser les multiplications et divisions, au niveau de l’addition et de la soustraction, elle ne l’est guère. En effet, la nécessité de manipuler les curseurs pour l’inscription de chaque chiffre ralentissait considérablement l’opération.

Willgodt Theophil Odhner, en 1871, ayant eu l’occasion de réparer une machine à calculer Thomas fut convaincu qu'il était possible de résoudre le problème de calcul mécanique d’une manière plus simple et plus appropriée ». Il lui a fallu 19 années pour perfectionner la conception de cette nouvelle machine de sorte qu'il
Odhner, en 1885,ouvre son entreprises pour la fabrication de presses d'imprimerie, et toutes sortes d'instruments scientifiques.

En 1890. Odhner démarre la production de son arithmomètre. Dès le début, M. FN Hill, un citoyen britannique, est devenu son associé, mais il quitta la société autour de 1897, faisant Odhner le seul propriétaire jusqu'à sa mort en 1905.

Après la mort de Odhner, son fils Alexandre et Georg et son beau-fils Karl Siewert ont continué la production de 23 000 calculatrices avant la fermeture de l'usine en 1918.

Dès 1878 Odhner ingénieur suédois avait conçu une roue(entraineur) dont le nombre de dents est variable et proportionnel au déplacement d’un curseur : le mouvement de ce dernier entraîne la sortie de dents supplémentaires.

Un enregistreur est composé de huit roues Odnher placés côte à côte – une roue pour les unités, une pour les dizaines, une pour les centaines...En déplaçant le curseur dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, un nombre de dents proportionnel au déplacement du curseur va sortir. Lors de la rotation des roues (entraîneurs) à l’aide de la manivelle, les dents vont entraîner le compteur du totaliseur et donc permettre l'affichage du résultat.

Ces machines ont été fabriquées en très grand nombre de 1900 jusqu'à 1960 environ

Le clavier

Le premier calculateur à touches connu, datant de 1850, fut l'oeuvre de D.D. Parmelee. Sa  machine n'était  pas compétitive avec celles de son temps. En effet, elle n'était composée que d'une seule série de 9 touches (à l'avant plan) numérotées de 1 à 9, de hauteurs proportionnelles au chiffre qu'elles représentent. En enfoncant ces touches, on provoque une élévation, proportionnelle au chiffre entré, d'une tige graduée visible à l'arrière plan. Bien que d'une utilité fort limitée il n'en demeure pas moins que cette première utilisation des touches a inspiré Thomas Hill pour la construction, en 1857, de l'Arithmomètre.

Après celle de Thomas Hill,  de nombreuses tentatives peu fructueuses d'amélioration du clavier furent tentées dans les trente années suivantes, mais ce n'est qu'en 1885, que Door E. Felt construisit le premier prototype expérimental de ce qui deviendra le Comptomètre. Deux ans après, en 1887, il fit breveter son additionneuse à clavier et en débuta la commercialisation

À chaque ordre décimal est associé une série complète de 9 touches numérotées de 1 à 9, et pourvues d’une notation complémentaire pour la soustraction, qui se fait en utilisant la complémentation comme sur la machine de Pascal. Chacune de ces séries de touches est associée à un totalisateur de la façon conçue par Hill. Le levier visible sur la droite ne sert qu’à la remise à zéro du totaliseur.

L’utilisation des touches était définitivement un progrès par rapport aux curseurs, d’autant plus qu’en utilisant le clavier complet (une série de touche par ordre décimal) on pouvait entrer des chiffres simultanément. Par conséquent, un utilisateur bien entraîné pouvait réaliser des additions avec une rapidité inégalée. De plus, la multiplication pouvait tre réalisée très rapidement aussi, en utilisant manuellement le principe d’additions successives utilisé dans les autres machines. Dans ce cas, le mouvement du chariot mobile est remplacé par un déplacement des doigts . Or, si le multiplicande a moins de cinq chiffres, l’utilisateur n’a qu’à déplacer ses doigts d’un ordre décimal sans mme avoir a en changer la configuration. Il était donc possible de réaliser des multiplications au moins aussi rapidement que sur des machines conçues pour mécaniser cette opération.

Le Comptomètre était aussi muni d’un système de report hors de pair, potentiellement le plus achevé et efficace qui fut créé. Sa grande fiabilité combinée à sa rapidité, en ont fait un grand succès commercial. Il furent fabriqués et vendus jusqu’à la fin des années 1920.

Un nouveau modèle Le ST incorporant toutes les améliorations des modèles précédents. fut présenté en 1920 avec le logo Comptometer inscrit sur les panneaux avant et arrière et ils possèdent la touche de correction et une remise à zéro. Ce modèle fut vendu jusqu'au début de la Deuxième Guerre mondiale, ces modèles incorporent toutes les améliorations des modèles précédents. Ils ont le logo Comptometer inscrit sur les panneaux avant et arrière et ils possèdent la touche de correction. Le ST (supertotalizer) a deux registres de résultat, chacun avec une remise à zéro. Le registre du haut est utilisé pour les résultats intermédiaires et sa valeur est ajoutée au registre du bas quand le levier de remise à zéro est actionné

L’imprimante

Un autre progrès important dans l’histoire de la calculatrice fut définitivement l’ajout d’une fonction d’impression. En effet, il permettait, chose fort utile dans les domaines commerciaux et administratifs, de garder la trace des calculs réalisés sans nécessairement avoir à passer du temps à recopier les divers résultats obtenus.

Le premier prototype connu de machine à calculer permettant l’impression date de 1870. Créé par Barbour, ce prototype n’était pas d’une grande utilité. En effet, il était basé sur le principe des bâtonnets de Neper et nécessitait d’être encré à la main.

La première machine commercialisée utilisant un principe d’impression pratique était la réalisation de William Seward Burroughs (1857-1898). Sur les premiers modèles qu’il a réalisés, à partir de 1888, l’utilisateur ne pouvait voir les données imprimées car elles étaient à l’arrière de la machine. Malheureusement, les mécanismes des premières machines de Burroughs était très peu précis rendant la machine presque impossible à opérer efficacement. Il dut donc emprunter de nombreuses fonctions du Comptomètre de Felt pour réussir à créer une machine simple d’utilisation.

Cependant, ce mme Felt créa aussi, en 1889, une calculatrice avec imprimante: le Comptographe, une modèle avec imprimante de son Comptomètre. Il souhaitait ainsi faire compétion à la compagnie de Burroughs.

En 1902, James Dalton combina la fonction d’impression avec un clavier réduit (10 touches en tout incluant un zéro, plutôt que 9 par ordre décimal). Ce type de clavier s’était développé avec Mayer en 1884, Runge en 1896 et la Standard d’Hopkins en 1901. L’allure des calculatrices de bureau utilisées durant le reste du 20ème siècle commençait à se dessiner.

Cependant, comme on peut le voir sur la photographie, les machines de Dalton avait une disposition des 10 touches différentes de celle actuellement utilisée. En effet, ce n’est qu’en 1914 qu’Oscar J. Sundstrand disposa pour la première fois les touches du clavier en 3 rangées de trois nombres ([789][456][123]) avec le zéro en bas

La multiplication directe

Malgré toutes ces améliorations rendant les machines plus pratiques et plus rapide, le principe de base de la multiplication mécanique n’avait pas évolué depuis la première multiplicatrice de Liebniz. On cherchait activement à accélérer la multiplication en trouvant une façon de réaliser la multiplication directe, c’est-à-dire pouvoir réaliser les produits partiels par un chiffre en un seul tour du mécanisme, plutôt que de procéder par additions successives. En effet, si l’on crée une machine à multiplication directe la multiplication par, disons 4578, ne requière que 4 tours (un par ordre décimal) plutôt que les 24 (8+7+5+4) préalablement requis.

Bien qu’elle fut précédée par quelques autres machines qui eurent peu de rayonnement, c’est la machine construite par le français Léon Bollée, en 1888, qui fut vraiment la première réalisation pratique d’une machine à multiplication directe. Comme Pascal, Bollée construisit sa machine dans le but d’aider son père à réaliser les calculs qu’il devait faire pour son industrie.


Son principe de fonctionnement radicalement différent de celui utilisé dans les autres machines de l’époque repose sur l’utilisation de plaques qui représentent de façon matérielle la table de Pythagore (par des tiges de longueur proportionnelle aux chiffres qu’elles représentent). Chacune de ces plaques comprend donc une série de tige pour les unités et une pour les dizaines.

D’autres constructeurs, dont Otto Steiger et sa Millionnaire, adopteront, à quelques modifications près, le principe développé par Bollée.

Les machines différentielles et analytiques

Bien qu’elles étaient utilisées par les scientifiques, les machines arithmétiques étaient d’un usage assez limité pour eux, vu la complexité des calculs de nature scientifique par rapport aux calculs comptables. C’est de ce besoin de la communauté scientifique que commence, au 19ème siècle à naître des idées nouvelles et ambitieuses de calculateurs mécaniques.

L’observation d’un phénomène conduit toujours le scientifique à une modélisation qui s’accompagne elle même d’une mise en équation du problème étudié ; très souvent, les modèles obtenus sont constitués par des équations différentielles ou des équations aux dérivées partielles

La première idée d'une machine dite à différence semble être due à J.H. Müller, un constructeur de calculatrices arithmétiques. En effet, en 1786, dans un document décrivant sa machine arithmétique, il mentionne être en mesure de réaliser une machine mécanique permettant d'appliquer la méthode des différences finies et ainsi de réaliser mécaniquement des tables arithmétiques. Malheureusement, un inexplicable manque d'intérêt entraîna que, par faute d'aide financière, son projet ne fut jamais réalisé.

Charles Babbage (1791-1871), bien qu’il n’ait probablement jamais entendu parler de l’idée formulée par Müller, fut le premier à s’attaquer à la réalisation pratique d’une machine à différences pour le calcul automatisé des tables numériques.

Le fait que les tables astronomiques qu’il consultait occasionnellement étaient truffées d’erreurs de calcul exaspérait Babbage, au plus haut point. C’est d’ailleurs de la présence de ces anomalies que lui vint, en 1812 ou 1813, l’idée de construire sa machine à différence. Il construisit lui-mme un premier petit prototype qui travaillait sur deux ordres différentiels avec une capacité de seulement 6 chiffres.

À la suite de nombreux efforts et sous les recommandations de la Royal Society, il réussit, chose excessivement rare, à obtenir du financement de la part du gouvernement pour la réalisation de sa machine. Cependant, le fait qu’il n’y ait pas eu d’entente claire de signée lui causa, tout au long du projet, de nombreuses difficultés à obtenir le financement nécessaire pour réaliser le projet dans toute son ampleur, il fallait construire des pièces mécaniques nouvelles et extrêmement précises. Babbage fit donc appel à Joseph Clement, un jeune mécanicien dont la réputation commençait à se faire. C’était une tâche excessivement complexe et délicate que de réaliser ces pièces. En effet, en plus de suivre la conception très précise de chaque pièce faite par Babbage, il fallait aussi produire tous les outils de fabrication nécessaires. De plus, au cours de ce processus, Babbage concevait souvent des améliorations et des simplifications à apporter aux pièces ou aux outils. Pour ces raisons, le travail n’avança pas aussi rapidement que Babbage l’avait souhaité. Clément n’était pas particulièrement attaché à la réalisation du projet et s’en retira parce que le gouvernement lui refusa, en 1833, le paiement de dédommagements annuels. Or, la loi de l’époque stipulait que les outils spécialement conçus pour le projet appartenaient au mécanicien et il partit donc emportant les outils et conservant les plan de la machine comme gages des sommes que Babbage ne lui avait pas encore payées en raison de la lenteur du gouvernement dans le paiement du financement du projet. C’est donc dans un état peu avancé qu’en 1833 le projet prit fin.

Cependant, entre 1833 et 1834, alors qu’il était privé des plans que Clément avait en sa possession , Babbage, continuant à réfléchir sur sa machine à calculer, imagina de nouveaux concepts qui lui permirent de développer un projet encore plus ambitieux que le précédent: la machine analytique. Ce calculateur universel pourrait réaliser n’importe quel calcul ou séquence de calculs et ne serait donc plus limité à la production de tables arithmétiques.

Par une suite de réflexion, il arrive à 1837 à conceptualiser la première version de la machine analytique, qu’il raffina jusqu’en 1849, bien qu’à partir 1840 l’architecture générale de la machine n’évolua pas significativement.

Bien que ce projet ne soit resté qu’une conception purement théorique pour Charles Babbage, il n’en demeure pas moins que la conception de cette machine permettait d’envisager des possibilités remarquables de calcul. Babbage définnisait dans ce projet l’ensemble des composantes nécessaires à la création d’un calculateur universel et devenait résolument le "grand-père de l’informatique" par l’architecture de sa machine qui présentait :

  1. Une unité d’entrée pour communiquer le traitement de la machine.
  2. Une mémoire pour stocker les données et les résultats.
  3. Une unité de commande pour contôler l’exécution du traitement
  4. Une unité de sortie pour lire les résultats.

Les unités d’entrée et de sortie utilisent des cartes perforées.

Cette architecture est remarquablement proche de celle se tous les ordinateurs actuels. Mais la technologie de l’époque uniquement mécanique, n’a malheureusement pas permis de faire fonctionner la machine de Babbage.

Augusta Ada King, comtesse Lovelace, (1815 - 1852), fille de lord Byron, est principalement connue pour avoir traduit et annoté une description précise de la machine analytique de Charles Babbage..

Dans ses notes, on trouve le premier algorithme publié, destiné à être exécuté par une machine, ce qui fait parfois considérer Ada Lovelace comme « le premier programmeur de l'histoire ». Elle a également entrevu et décrit certaines possibilités offertes par les calculateurs universels, allant bien au-delà de ce qu'imaginaient Babbage et ses contemporains.

Les machines électromécaniques

Une des étapes importantes dans l’évolution des machines de calcul est sans contredit le passage des machines purement mécaniques à des machines qui intégrent des circuits électriques pour la réalisation de leurs opérations. Bien évidemment, cette intégration se fit de façon progressive. Les premières machines l’utilisant, combinaient l’électricité à des mouvements mécaniques.

La mécanographie

Si elle avait été réellement construite, la machine analytique de Babbage aurait permis de réaliser à peu près toutes les opérations mathématiques imaginables. Cependant, elle demeurait limitée aux traitements mathématiques. Or, le système à carte perforée permet de coder et d’utiliser de l’information autre que des données mathématiques ou des instructions d’opération de la machine.

C’est à Herman Hollerith (1860-1929) que l’on doit les premiers progrès en ce sens. Il créa son matériel dans le but d’aider au traitement des données du recensement américain de 1890. En effet, il y avait un besoin pressant d’équipement sophistiqué pour aider au dépouillement, car la population croissait très rapidement et de plus en plus de questions leur étaient posées.

C’est d’abord dans l’utilisation de cartes perforées comme support d’information que ses machines se démarquent de tout ce qui a été fait auparavant. On peut voir ici un exemple des cartes perforées utilisées par Hollerith pour le recensement de 1890. Elles était constituées d’un type de bristol brun et mesuraient environ 13,7 par 7,5 centimètres. L’information y était codée en perforant les cases associées aux réponses fournies par l’usager. à une question à laquelle on ne répond que par OUI ou NON, une seule case était associée; un OUI étant représenté par une perforation alors que l’absence de perforation signifiait NON. Les questions possédant un ensemble de réponses différentes avaient une case associée à chacune des réponses possibles et potentiellement une case AUTRE. Dans ce cas, la perforation indiquait laquelle des réponses avait été donnée. Des traits groupent l’ensemble des réponses reliées à une mme question.

Cependant, ce support nécessite la création de l’outil permettant de faire les perforations pour ainsi transcrire l’information sur la carte. Il créa donc une poinçonneuse à pantographe, qui, bien qu’elle ne permette que de faire un seul trou à la fois, était facile d’utilisation grâce au tracé type, situé à l’avant de l’appareil, qui guidait l’utilisateur. On peut d’ailleurs voir cette perforatrice à l’avant des cadrans sur la gauche de cette photo du matériel mécanographique développé par Hollerith.

La lecture de ces cartes perforées était réalisée par la presse de lecture située à la droite de la partie centrale de l’équipement. Elle utilisait l’électricité pour réaliser la cueillette de l’information. Le dessous de la presse, qui est fixe, était composé d’autant de cavités qu’il y a de cases perforables sur la carte. Au fond de ces cavités étaient déposées quelques gouttes de mercure et ces cavités étaient reliées par des fils électriques aux cadrans (compteurs d’impulsions) que l’on voit à la gauche de l’image. Le haut de la presse, que l’on abbaissait pour la lecture était, quant à lui, composé d’aiguilles montées sur des ressorts qui étaient toutes reliées à la pile. Si il y avait une perforation dans la carte, l’aiguille pouvait donc entrer en contact avec le bain de mercure fermant ainsi le circuit électrique relié à un des cadrans. On lui envoyait ainsi une impulsion qui faisait avancer son aiguille d’une unité. La machine ne comportait que 40 cadrans et il fallait donc établir les connexions à seulement 40 cases. On ne pouvait donc, en une seule lecture, que dépouiller partiellement l’information contenue sur les cartes.

On aperçoit aussi, à la droite de l’image, les casiers de tri. Ces casiers utilisaient un système d’électro-aimants permettant de contrôler, à l’aide des impulsions électriques générées par la lecture, l’ouverture d’un casier particulier. Ainsi, le classement des cartes devient très aisé, car l’utilisateur n’a qu’à la déposer dans le casier ouvert. On obtient facilement un classement des cartes selon des critères définis.

La première version fut construite en 1884, et les premiers utilisateurs furent les villes de Baltimore, de New York et l’état du New Jersey, qui s’en servirent tous pour comptabiliser des statistiques de mortalité. De plus, en 1887, son matériel a été utilisé pour tenir les statistiques sur l’état de santé du personnel de l’armée américaine. Le bureau du recensement américain organisa un concours pour les inventeurs, dans le but de trouver le meilleur équipement pour le recencement de 1890. Les trois candidats restants devaient réaliser le dépouillement de 10491 bulletins du recencement précédent de 1880. Ils devaient y faire la transcription des informations et le traitement de ces dernières. Les deux adversaires de Hollerith travaillaient tous deux manuellement, l’un avec des jetons de couleur, l’autre à l’aide de cartes de couleur. La transcription des données fut environ 2 fois plus rapide avec le matériel d’Hollerith, mais c’est le dépouillement qui fut réalisé avec une rapidité remarquable. Alors que les deux autres concurrents prirent respectivement 44 heures 41 minutes et 55 heures 22 minutes à compléter le dépouillement, Hollerith ne prit que 5 heures 28 minutes, soit près de 8 fois moins de temps que son plus proche rival. Bien entendu, Hollerith eut le contrat pour le recensement de 1890. On utilisa aussi son matériel pour plusieurs autres recensements au Canada, en Norvège, en Italie et en Russie. Ces machines mécanographiques donnèrent naissance à une grande industrie, o Hollerith dut compétitionner avec de nombreuses autres compagnies.

En tant que pionnier du traitement de l’information et de l’utilisation de l’électricité pour faire ce traitement, Hollerith a su poser l’une des dernières briques qui manquaient pour permettre le développement des ordinateurs. D’ailleurs, la compagnie qu’il a fondé en 1896, la Tabulating Machine Company, est devenue, en 1924, la maintenant célèbre entreprise International Businnes Machines, IBM.