電子計(jì)算機(jī)的誕生

邁克爾·斯韋因 保羅·弗賴伯格 陳少蕓 成小雷 朱少榮

詩人拜倫和雪萊注意到了科學(xué)所帶來的變化。在一個(gè)大雨傾盆的夏日，他們倆在瑞士消磨時(shí)光，就這樣討論起人工生命和人工思維，思考著是否能“制造出某個(gè)生物的各個(gè)零件，將它們拼湊起來并賦予其體溫”。當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)的雪萊夫人瑪麗·雪萊記住了這場(chǎng)討論，并在自己后來著名的小說《弗蘭肯斯坦》中展開了這一主題。對(duì)蒸汽時(shí)代的讀者來說，瑪麗·雪萊筆下的科學(xué)怪人實(shí)在令人毛骨悚然。

“蒸汽朋克”計(jì)算機(jī)

1833年，英國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家及發(fā)明家查爾斯·巴貝奇談起用蒸汽驅(qū)動(dòng)計(jì)算，并真的開始設(shè)計(jì)這么一臺(tái)機(jī)器。巴貝奇聲稱，這機(jī)器若是做出來，可將計(jì)算行為機(jī)械化，甚至將思維機(jī)械化。

巴貝奇有一位搞科學(xué)編年史的同事，同時(shí)是他的贊助人，叫奧古斯塔·艾達(dá)·拜倫。她是詩人拜倫勛爵的女兒。艾達(dá)·拜倫本身既是一名作家，又是一名業(yè)余數(shù)學(xué)家。因此，她能夠通過文章和論文向受過高等教育的公眾和英國(guó)貴族中的潛在贊助人解釋巴貝奇的想法。此外，她還撰寫了不少文章來介紹巴貝奇的分析機(jī)是如何解決高等數(shù)學(xué)問題的。因?yàn)榘_(dá)·拜倫所做的這些工作，許多人視她為世界上第一位計(jì)算機(jī)程序員。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)國(guó)防部用她的名字命名了Ada編程語言，以此肯定艾達(dá)在計(jì)算機(jī)編程方面的貢獻(xiàn)。

從巴貝奇的設(shè)計(jì)來看，分析機(jī)是一臺(tái)體型巨大、噪聲不小、昂貴無比、外觀漂亮且因用了黃銅和鋼鐵制造而閃閃發(fā)光的大家伙。數(shù)字存儲(chǔ)于由齒輪構(gòu)成的暫存器上，而數(shù)字的加法和轉(zhuǎn)存則通過凸輪和棘輪的運(yùn)行來完成。根據(jù)設(shè)計(jì)，分析機(jī)可以存儲(chǔ)1000個(gè)數(shù)字，每個(gè)數(shù)字最多50位數(shù)。內(nèi)置存儲(chǔ)器容量如今被稱為機(jī)器的內(nèi)存大小。按如今的標(biāo)準(zhǔn)來說，巴貝奇分析機(jī)的運(yùn)行速度可以說是龜速——1秒內(nèi)都無法完成一個(gè)加法運(yùn)算，但實(shí)際上它的內(nèi)存比20世紀(jì)四五十年代的第一批可用的計(jì)算機(jī)以及20世紀(jì)70年代的早期微型計(jì)算機(jī)都要大。

盡管巴貝奇為分析機(jī)設(shè)計(jì)了3種詳盡的方案，但他始終未能造出這臺(tái)機(jī)器。1991年，倫敦科學(xué)博物館負(fù)責(zé)計(jì)算的資深館長(zhǎng)多倫·斯沃德用巴貝奇時(shí)代擁有的技術(shù)、工藝和材料造出了巴貝奇的差分機(jī)。斯沃德的成功揭示了巴貝奇人生中具有諷刺意味的一面。早在別人做出同樣嘗試的100多年前，巴貝奇就已經(jīng)成功設(shè)計(jì)出了一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但他之所以無法實(shí)現(xiàn)自己的夢(mèng)想，全是因?yàn)樗麩o法籌集到足夠的資金，而這又多半緣于他自己疏離于那些能提供資金的人。

如果巴貝奇能圓滑一些或奧古斯塔·艾達(dá)·拜倫更富有一些，恐怕就會(huì)有這么一臺(tái)無比巨大的蒸汽計(jì)算機(jī)在狄更斯筆下的倫敦出現(xiàn)，幫助現(xiàn)實(shí)生活中的一些老吝嗇鬼算賬，也可能蒸汽計(jì)算機(jī)會(huì)與查爾斯·達(dá)爾文下一盤國(guó)際象棋。但正如瑪麗·雪萊所預(yù)言的一樣，要想制造出會(huì)思考的機(jī)器，關(guān)鍵是電力。

會(huì)計(jì)算的機(jī)器

美國(guó)邏輯學(xué)家查爾斯·皮爾斯通過講授英國(guó)數(shù)學(xué)家喬治·布爾的著作，將符號(hào)邏輯學(xué)從大西洋彼岸帶到了美國(guó)。在這個(gè)過程中，皮爾斯從根本上重新定義并極大豐富了布爾代數(shù)。布爾以無可爭(zhēng)議的方式將邏輯與數(shù)學(xué)整合到了一起，而皮爾斯大概是19世紀(jì)中期最了解布爾代數(shù)的人了。

到了19世紀(jì)80年代，皮爾斯發(fā)現(xiàn)，布爾代數(shù)可用于模擬電氣開關(guān)電路。布爾邏輯的真/假完全映射了電流流經(jīng)復(fù)雜電路中開/關(guān)的方式，換句話說，邏輯可以用電路來表示。這就意味著電力驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)和邏輯機(jī)是可以構(gòu)造出來的。它們不只是小說家的空想，它們可能會(huì)實(shí)現(xiàn)，而且最終定會(huì)實(shí)現(xiàn)。

皮爾斯有一名叫艾倫·馬昆德的學(xué)生，他在1885年還真的設(shè)計(jì)出了一臺(tái)能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算的電力邏輯機(jī)，但是還是沒有造出來。皮爾斯用來解釋如何模擬布爾代數(shù)的開關(guān)電路是計(jì)算機(jī)的一個(gè)基本組成部分。這個(gè)裝置的獨(dú)特之處在于能夠管理信息，這一點(diǎn)和電流或機(jī)車完全不同。

機(jī)械開關(guān)為電回路所替代，使得計(jì)算設(shè)備的體積可以變得更小。事實(shí)上，第一臺(tái)電力邏輯機(jī)是由本杰明·布拉克設(shè)計(jì)并制造出來的便攜式裝置，體積小到可以裝進(jìn)公文包中。這臺(tái)制造于1936年的布拉克邏輯機(jī)可用于處理三段論形式的邏輯語句。譬如說，將“男人終有一死;蘇格拉底是男人”編入機(jī)器，邏輯機(jī)可接受“蘇格拉底終有一死”的推論，而拒絕“蘇格拉底是女人”的推論。后者這類錯(cuò)誤的推理會(huì)關(guān)閉回路并觸發(fā)機(jī)器的警告燈，表示發(fā)生了邏輯錯(cuò)誤。

布拉克邏輯機(jī)是一臺(tái)功能有限的專用機(jī)器。然而，當(dāng)時(shí)問世的大多數(shù)專用計(jì)算裝置都是用來處理數(shù)字問題而不是處理邏輯問題的。早在皮爾斯還在研究邏輯與電力之間的聯(lián)系時(shí)，赫曼·霍列瑞斯就在設(shè)計(jì)一臺(tái)制表機(jī)，以進(jìn)行1890年的美國(guó)人口普查的計(jì)算。

霍列瑞斯的公司最終被一家企業(yè)合并了，這家企業(yè)后來更名為國(guó)際商用機(jī)器公司（簡(jiǎn)稱IBM）。

計(jì)算機(jī)的誕生

克勞德·香農(nóng)在其麻省理工學(xué)院的博士論文中解釋了如何利用電力開關(guān)電路模擬布爾邏輯（查爾斯·皮爾斯在50年前就曾預(yù)言過）。受到該論文的鼓舞，IBM的高管于20世紀(jì)30年代同意斥資制造一臺(tái)基于機(jī)電式繼電器的大型計(jì)算機(jī)器。他們給了哈佛大學(xué)教授霍華德·艾肯一筆在當(dāng)時(shí)頗為可觀的經(jīng)費(fèi)——50萬美元，用以研制Mark I，Mark I是一臺(tái)受巴貝奇分析機(jī)的啟發(fā)而設(shè)計(jì)的計(jì)算裝置。巴貝奇設(shè)計(jì)的是一個(gè)純粹的機(jī)械裝置，相比之下，Mark I是一個(gè)電力機(jī)械裝置，它以繼電器為開關(guān)，繼電器陣列則作為數(shù)字存儲(chǔ)空間。

電力驅(qū)動(dòng)正在為電子驅(qū)動(dòng)讓路。當(dāng)其他人將蒸汽驅(qū)動(dòng)的巴貝奇式機(jī)器換成電氣繼電器時(shí)，愛荷華州立大學(xué)的數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授約翰·阿塔納索夫看到了將電氣繼電器換成電子元件的可能性。在美國(guó)參加第二次世界大戰(zhàn)前不久，阿塔納索夫在克利福德·貝里的幫助下設(shè)計(jì)出了ABC。ABC是阿塔納索夫-貝里計(jì)算機(jī)的首字母縮寫，這臺(tái)設(shè)備的開關(guān)裝置采用的不是繼電器，而是真空管。

這個(gè)開關(guān)裝置的更新?lián)Q代是一次技術(shù)性飛躍。理論上說，以真空管為開關(guān)元件的機(jī)器運(yùn)算起來比繼電器機(jī)器更快速、更高效。但ABC和巴貝奇分析機(jī)一樣，也未能問世，這也許是因?yàn)榘⑺{索夫所籌集的經(jīng)費(fèi)還不到7000美元，遠(yuǎn)不足以建造這臺(tái)機(jī)器。不過，阿塔納索夫和貝里確實(shí)組裝出了一臺(tái)簡(jiǎn)單的樣機(jī)。他們用大量的電線和真空管拼出了一臺(tái)粗糙的臺(tái)式計(jì)算器。通過將真空管作為開關(guān)元件這一舉措，阿塔納索夫大大推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。相較于繼電器開關(guān)，真空管的高效使得計(jì)算機(jī)的面世成為現(xiàn)實(shí)。

真空管是抽掉了空氣的一種玻璃管。托馬斯·愛迪生發(fā)現(xiàn)，電子在某些條件下能在真空中流動(dòng)，而李·德·福里斯特利用“愛迪生效應(yīng)”最終將真空管制成了電子開關(guān)。20世紀(jì)50年代，真空管被廣泛應(yīng)用到電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中。現(xiàn)如今我們?nèi)钥梢钥吹綉?yīng)用顯像管的計(jì)算機(jī)顯示器或電視機(jī)屏幕。

到20世紀(jì)30年代，計(jì)算機(jī)的誕生已經(jīng)是順理成章。計(jì)算機(jī)似乎也注定是價(jià)格昂貴的大塊頭專用設(shè)備。體積大、價(jià)格高的問題幾十年后才得以解決，但打破單一用途這一點(diǎn)在當(dāng)時(shí)就已提上日程。

英國(guó)數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈曾設(shè)想過這樣一臺(tái)機(jī)器，這臺(tái)機(jī)器的目的只有一個(gè)，即讀取某一可描述任務(wù)的編碼指令，并根據(jù)指令自行完成任務(wù)。這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)可謂前所未聞。若一臺(tái)機(jī)器真的能夠完成指令描述的所有任務(wù)，那么它就是一臺(tái)真正的通用設(shè)備。或許在圖靈之前沒有任何人有過如此宏大的想法。但在10年之內(nèi)，圖靈的想法就變成了現(xiàn)實(shí)。那些指令變成了程序，而圖靈的設(shè)想在另一位數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾伊曼的手中變成了一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)。

將計(jì)算機(jī)變成現(xiàn)實(shí)的大部分工作都是第二次世界大戰(zhàn)期間在秘密實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。圖靈就是這樣工作的。1943年，美國(guó)費(fèi)城莫爾電氣工程學(xué)院的約翰·莫奇利和約翰·埃克特提出了一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)的想法。很快，他們就和美國(guó)軍方開始合作研發(fā)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ENIAC）。一旦成功，它將成為第一臺(tái)全電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。除了用于信息輸入與輸出的外圍設(shè)備，ENIAC就是一臺(tái)純粹的真空管機(jī)器。

發(fā)明ENIAC的功勞歸誰向來是有爭(zhēng)議的。ENIAC可能是根據(jù)莫奇利與阿塔納索夫會(huì)面后形成的想法設(shè)計(jì)出來的，但至少ENIAC是真實(shí)存在的。莫奇利和埃克特吸引了不少才華橫溢的數(shù)學(xué)家加入ENIAC項(xiàng)目，其中包括聰明絕頂?shù)募s翰·馮·諾伊曼。馮·諾伊曼加入了ENIAC項(xiàng)目，并為建造ENIAC作出了許多貢獻(xiàn)，他還為一臺(tái)更加復(fù)雜的電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)（EDVAC）提供了基本設(shè)想。人們對(duì)馮·諾伊曼的貢獻(xiàn)也報(bào)道很多。

馮·諾伊曼將莫爾電氣工程學(xué)院的重點(diǎn)從技術(shù)方面轉(zhuǎn)移到了邏輯方面。在他看來，EDVAC不僅僅是一臺(tái)用來計(jì)算的設(shè)備。馮·諾伊曼覺得，除算術(shù)運(yùn)算之外，EDVAC應(yīng)該還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并能以代碼符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，而且那些以代碼符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和解釋的指令本身也應(yīng)該是編入機(jī)器的代碼符號(hào)，并用以繼續(xù)操作運(yùn)算。這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)概念中最后一個(gè)根本性洞見。馮·諾伊曼規(guī)定EDVAC應(yīng)該能根據(jù)指令來編寫程序，而這些指令本身是作為數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的，這為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)。

1945年5月之后，馮·諾伊曼提出將ENIAC改為 EDVAC那樣的可編程計(jì)算機(jī)的方法，阿黛爾·戈?duì)査固咕帉懥四茏寵C(jī)器更易操作的語言（包含55種操作）。從那以后，再?zèng)]有人以最初的操作模式來運(yùn)行 ENIAC了。

1946年年初， ENIAC開發(fā)完成，它的運(yùn)行速度比繼電式計(jì)算機(jī)快1000倍。但盡管是電子計(jì)算機(jī)，ENIAC運(yùn)行起來仍然咔咔作響。ENIAC就是一屋子滴答作響的電傳打字機(jī)、滋滋轉(zhuǎn)的磁帶驅(qū)動(dòng)器以及滿墻相對(duì)安靜的電子線路板。ENIAC有2萬個(gè)開關(guān)元件，重約30噸，耗電150千瓦。盡管功率很大，但任何時(shí)候 ENIAC一次只能處理20個(gè)十進(jìn)制數(shù)字。不過在完全制造完成之前，它就已經(jīng)派上了大用場(chǎng)。1945年，ENIAC被用于美國(guó)新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市原子彈測(cè)試的計(jì)算。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后，那些秘密實(shí)驗(yàn)室開始解密他們的工作成果和設(shè)計(jì)，由此出現(xiàn)了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。制造計(jì)算機(jī)立馬成了一門生意，此時(shí)經(jīng)歷了Mark I項(xiàng)目的失望后，IBM的高管們重新振作起來，著手制造通用計(jì)算機(jī)。沒過多久，IBM就成為了行業(yè)領(lǐng)頭羊。

不過很快，20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了一款新型計(jì)算機(jī)。比起先前的計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)體積更小、價(jià)格更低。生產(chǎn)小型機(jī)的公司中，最值得一提的是波士頓的DEC公司和加州帕洛阿爾托的惠普公司。這些公司當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)就是圖靈和馮·諾伊曼所指的通用計(jì)算機(jī)，它們更小巧，更高效，功能也更強(qiáng)大。不久之后，計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)取得了重大突破，這使得計(jì)算機(jī)在功能、效率和小型化幾個(gè)方面取得了驚人的發(fā)展。

（摘自人民郵電出版社《硅谷之火：個(gè)人計(jì)算機(jī)的誕生與衰落（第3版）》 ）