電腦的起源(2/2)
撰文／Martin Campbell-Kelly｜譯者／王怡文
轉載自《科學人》2009年10月第92期
戰爭帶來劇變
1941年12月7日，日軍空襲美國海軍基地珍珠港，美國正式參戰。美軍動員代表著需要更多發射表，每張表內含約3000個欄位，即使有微分解析機，積壓在亞伯丁的計算工作還是不斷增加。
亞伯丁北方約130公里的賓州大學摩爾電機工程學院，也有一台不同的微分解析機。1942年春，當時35歲、在該學院擔任講師的莫克利（John W. Mauchly）想到一個加快計算的點子：做一台用真空管取代機械零件的「電子計算機」。莫克利是個理論型的人，不過他在學院裡找到了能補其不足的年輕研究員，那就是精力旺盛、已閃耀出工程天才光芒的艾克特（J. Presper Eckert）。
莫克利發表的原始提案，在遭受各種意外及官僚作業而延遲一年之後，終於到了陸軍中尉高斯汀（Herman Goldstine）手裡。高斯汀是芝加哥大學數學博士，時年30歲，負責亞伯丁與摩爾學院間的技術聯絡，他在數天內就取得計畫許可。1943年4月9日，電子數值積分計算機（Electronic Numerical Integrator and Computer, ENIAC）開始建造，正好是艾克特的23歲生日。
許多工程師強烈懷疑ENIAC成功的可能性。當時的常識認為真空管的壽命約3000小時，而ENIAC的最初設計使用了5000個真空管。就損壞率來看，機器運作不到幾分鐘就會因為某根真空管壞掉而停下來。然而艾克特明白，是開開關關的壓力讓真空管容易壞，他知道廣播電台就是因此從來不把播送真空管關掉。如果真空管的運作電壓明顯低於額定電壓，還能更持久（這部機器完成時，總共用了1萬8000根真空管）。
艾克特的團隊花了兩年半完成ENIAC。竣工後的ENIAC是工程傑作，一部27公噸重的龐然大物，耗電150千瓦，每秒能執行5000個加法，計算彈道的時間比砲彈打到目標還短。這也是「湊巧」造成新發明的最佳實例：當時，摩爾學院並非頂尖的計算研究機構，只是剛好在對的時間處於對的位置，而且有對的人。
然而到1945年才完成的ENIAC，沒能來得及幫上戰爭的忙。它的能力也很有限，一次只能儲存20個數字。設定機器得花上數天，還要處理像忙碌的電話交換機內部一樣錯綜複雜的纜線。此外，ENIAC是設計來解常微分方程的。有些難題，尤其是曼哈頓計畫所需的運算，卻需要解偏微分方程。
1944年夏天，馮紐曼（John von Neumann）參訪亞伯丁時得知ENIAC，當時他是曼哈頓計畫的顧問。馮紐曼於1903年出生在富裕的匈牙利銀行世家，是個數學天才，很快就完成教育，23歲就成為德國柏林大學史上最年輕的助理教授。1930年他移居美國，和愛因斯坦與哥德爾（Kurt Gödel）一樣成為普林斯頓高等研究院第一批院士的一員，並且在1937年歸化為美國公民。
馮紐曼很快就看出電子計算機的威力，他在拜訪亞伯丁後的幾個月裡，和艾克特、莫克利、高斯汀和柏克斯（Arthur Burks，也是摩爾學院的講師）開會敲定下一代ENIAC的設計，亦即電子離散變數自動計算機（Electronic Discrete Variable Automatic Computer, EDVAC）。
EDVAC大幅改進了ENIAC。馮紐曼引進了馬科勞（Warren McCullough）和畢茨（Walter Pitts）這兩位神經科學家所建立的大腦邏輯運作理論概念和命名法（這就是「記憶體」一詞的由來）。馬科勞與畢茨兩人和馮紐曼一樣，都受到英國數學家涂林（Alan Turing）在1930年代末的理論研究影響。涂林設計了一款簡單的機器模型，能執行各式各樣的複雜任務。大約就在這時候，大家對計算機（亦即電腦）的認知，一致從「數學工具」變成「全能的資訊處理機」。
馮紐曼構想中的計算機有五個核心部位：記憶體儲存數值資料與操作指令、算術單元執行計算、輸入「器官」將程式和資料送進記憶體、輸出器官記錄計算結果，控制單元協調各部位運作。
這種配置（亦即計算機結構）使得更改計算機程式時，不再需要更動機器實體結構。而且，程式可以操控自己內部的指令。這個特性不只能讓馮紐曼解偏微分方程，也帶來威力強大的變通性，形成計算機科學的核心。
1945年6月，馮紐曼代表團隊寫出經典的〈EDVAC報告初稿〉，雖然內容尚不完整，還是很快就在計算機專家之間傳開，導致兩個後果：第一，再也沒有第二版；第二，後人將大部份的功勞歸於馮紐曼。
革命性的進展
接下來60年，電腦如何在社會中普及就說來話長，是另一個故事了。也許最值得注意的發展是，原本被設計用來做數學計算的電腦，後來應用無限，包括商業資料處理、個人計算，乃至於全球資訊網路的建構等。
我們可以從三個向度來看電腦的發展：硬體、軟體與結構。60年來的硬體改善可說是傳奇。笨重的電子真空管在1950年代末被換成「分散式」電晶體，也就是將一顆顆電晶體分別焊在定點上。1960年代中期，一顆矽「晶片」上的微電路含有數個電晶體，然後是數百個，接著是數千個。1970年代研發出來的微處理器，一顆晶片就能容納完整的電腦運算單元，它孕育了個人電腦，今日更被用來控制從灑水系統乃至彈道飛彈等各種裝置。
軟體的挑戰就微妙多了。1947和1948年，馮紐曼與高斯汀發表一系列報告，叫做《電子計算儀器的規劃與編碼問題》。在這些報告當中，他們為數學運算定下數十種常式，期望有低階「編碼器」能將它們轉為可運作的程式，可惜事與願違，撰寫和執行程式的過程簡直困難絕頂。第一個發現此事的是英國劍橋大學計算機科學家威克斯（Maurice Wilkes），他創造出第一部實用的儲存程式計算機EDSAC。他在回憶錄中追憶1949年的時光，懊悔地說：「實現的後果使馬力全開、朝我奔來，導致我後半輩子的大好時光都花在給自己寫的程式找錯誤上頭。」
他和其他劍橋人研發了一套把電腦指令寫成符號的方法，使整個工作較容易且較不易犯錯。電腦可以接收這種符號語言，並轉換為二進位碼。IBM在1957年首創Fortran程式語言，大幅簡化了科學與數學程式的撰寫工作。1964年，達特茅斯學院的教育家凱梅尼（John G. Kemeny）和計算機科學家庫茲（Thomas E. Kurtz）為了促使電腦平民化，並讓所有大學生都能上手，因而發明了Basic，這是一種簡單但威力十足的程式語言。有了Basic，連小學生（包括童年時期的比爾蓋茲）都開始能自己寫程式。
相較之下，計算機結構（組成電腦的子系統彼此間的邏輯配置）就沒什麼變化。今天人們所用的電腦，幾乎都和1945年的儲存程式電腦有同樣的基本結構。這狀況就像汽車的翻版，經過數十年來諸多技術與效能的提升，基本設計還是大致相同。僅管可能有截然不同且更好的設計，但電腦和汽車都遭遇到科技史學家所謂的「閉鎖現象」（closure）。數十年來的投資帶來相當可觀的收益，以致沒有足夠誘因去投資替代品。
然而電腦還是有很多徹底改變的可能性。1980年代，人們對於所謂的大量平行處理器很有興趣，它裡面包含數千個可同時運算的計算單元。這個基本結構現在仍用在需要密集計算的任務，像是氣象預報和原子能武器研究等。計算機科學家也從人類大腦尋找靈感。我們現在知道，大腦對不同的任務各有專門的處理中心，例如臉部辨識或語音理解。科學家正在將其中某些概念納入「類神經網絡」，應用在牌照辨識和虹膜辨識等任務。
更異想天開的研究則包括以DNA等生命物質做電腦，以及運用量子世界奇異特性的電腦。沒人知道50年後電腦會變成什麼樣子，也許它們的能力會超越創造它們的心智也說不定。(完)
(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)