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怎幺造电脑?(1-2)

发表于2020-07-09
怎麼造電腦?(1/2)

今日我们把电脑视为理所当然,但当初数学家和工程师们可是经历数个世纪的努力,才终于造出在第二次世界大战击溃德国,进而发展出现代电脑的先驱机器。


内容概说

计算的基础发轫于十九世纪,但一直要到第二次世界大战为了破解加密的德语讯息,发展出第一部完全电子化的机器后,才一路发展出现在我们所用的电脑。


计算装置在无法追溯的久远年代就已经出现了。古时倖存下来的计算装置中,最複杂、最令人惊艳的,当是1900年从希腊沉船中发现的安提基瑟拉仪(Antikythera Mechanism)。这台密密麻麻满布着小齿轮的惊人装置,估计是用来观察日月星辰的运转。许多人认为安提基瑟拉仪就是早期的电脑,但今日我们谈到「电脑」,通常指的还是二十世纪中期发展出来的多功能机器,这些机器听从程式码的指示,使用字串和数字执行一连串的逻辑运算。

根据以上定义,现代电脑真正的祖先,应该是法国数学家Blaise Pascal在1642年发明的加法机械装置。这台机器后来被称做帕斯卡加法器(Pascaline)。用加法器上半部的金属转盘来输入数字,这台设计精巧的机器便会利用内部的转轮,把这些数字相加起来。1671年时,德国数学家莱布尼兹製造出更精密的「阶梯式计算器」(Stepped Reckoner),不但可以加减高达十六位的数字,还可以乘除高达八位的数字。

一直到二十世纪初期,人们依然广泛使用这些计算装置,但是它们的目的非常单一,功能也极为有限。今日,我们之所以能用程式来扩展计算装置的功能,得追溯到另一个意想不到的领域。

编织梦想

怎幺造电脑?(1/2)

(图片来源:Science and Society , Getty, Alamy BT Archive, Bell Labs)

法国纺织工人、业余发明家Joseph Marie Jacquard把他在纺织机上的经验融入发明。1801年,他在巴黎的工业展中推出了一款纺织机,它可以「读取」一系列打孔的卡片,来控制织出来的布疋花样。这款纺织机是纺织界划时代的革命,短短的十年内,法国境内就有至少一万一千台这样的纺织机。最重要的是,它使我们了解到,只要能调整机器的构造,它们就能从事不同的任务,而这概念拓广了人们对于计算领域的想像。

1822年,英国数学家暨博学家Charles Babbage在对皇家天文学会所做的简报中,提出「差分机」(Difference Engine)的设计及运作说明。这台机器可以从事极複杂的运算,速度和準确度远远凌驾任何人。Babbage建议,这台机器可以协助建立行星运转表格,提供当时导航所需要的资料。这个计画引起英国政府的兴趣,并在隔年开始投入建造。但是由于计画相当複杂,在1830年代中期,Babbage和工程师Joseph Clement终于因为成本的问题而宣告计画中止。

在1842年英国政府完全砍掉给Babbage的资助之前,他已经开始执行一个野心更大的设计,从现代的角度来看,它可说是最早具备电脑全方位功能的装置。这具「分析机」(Analytical Engine)的确相当複杂,可以执行的任务超过简单的代数运算。比如说,它可以根据是否符合某条件句来决定要不要执行某些动作;可以使用一组打孔卡对这台机器下达命令,处理用另一组打孔卡输入的资料;然后还可以使用简单的列印机或图形绘製机输出结果。它内部负责计算的架构规格统一,由数个单元构成,另外也有记忆体能存取数值。Babbage取得了一份简单的演算法範例,也许是Ada Byron在她的机器上使用的那一份。Ada是诗人拜伦的女儿,也是勒芙蕾丝伯爵夫人(Countess of Lovelace),她是才华洋溢的数学家,一般公认为世界上第一位程式设计师。

可惜,1871年Babbage辞世,此前他只建构完成了部分的分析机。他的儿子亨利找不到金援继续这个计画,Babbage的想法于是尘封了数十年之久。

然而,1889年美国发明家暨统计学家Herman Hollerith也想出用打孔卡来储存资料的点子。他的电子机械「製表机」(tabulator)在电流通过卡片上的小孔时,记录电流的脉动,製表机于是可以高速地读取打孔卡片。Hollerith发明的这具高效率的机器改变了处理和运算资料的方式。1890年时它被拿来处理美国的人口资料,而且提早数个月完成任务。Hollerith成立的公司最后变成商业巨人IBM的核心部分。

Hollerith的製表机内有一个重要的概念:二元系统,这个系统只有两种状态:「开」与「关」,分别代表数字「1」和「0」。十七世纪晚期,莱布尼兹首度探究二元数值系统,发现二元系统可以简化某些计算。(待续)

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