怎麼造電腦？(1/2)

撰文／Giles Sparrow｜譯者／易思婷
轉載自《BBC知識》2014年6月第34期

內容概說

計算的基礎發軔於十九世紀，但一直要到第二次世界大戰為了破解加密的德語訊息，發展出第一部完全電子化的機器後，才一路發展出現在我們所用的電腦。

計算裝置在無法追溯的久遠年代就已經出現了。古時倖存下來的計算裝置中，最複雜、最令人驚艷的，當是1900年從希臘沉船中發現的安提基瑟拉儀（Antikythera Mechanism）。這台密密麻麻滿布著小齒輪的驚人裝置，估計是用來觀察日月星辰的運轉。許多人認為安提基瑟拉儀就是早期的電腦，但今日我們談到「電腦」，通常指的還是二十世紀中期發展出來的多功能機器，這些機器聽從程式碼的指示，使用字串和數字執行一連串的邏輯運算。

根據以上定義，現代電腦真正的祖先，應該是法國數學家Blaise Pascal在1642年發明的加法機械裝置。這台機器後來被稱做帕斯卡加法器（Pascaline）。用加法器上半部的金屬轉盤來輸入數字，這台設計精巧的機器便會利用內部的轉輪，把這些數字相加起來。1671年時，德國數學家萊布尼茲製造出更精密的「階梯式計算器」（Stepped Reckoner），不但可以加減高達十六位的數字，還可以乘除高達八位的數字。

一直到二十世紀初期，人們依然廣泛使用這些計算裝置，但是它們的目的非常單一，功能也極為有限。今日，我們之所以能用程式來擴展計算裝置的功能，得追溯到另一個意想不到的領域。

編織夢想

(圖片來源：Science and Society , Getty, Alamy BT Archive, Bell Labs)

法國紡織工人、業餘發明家Joseph Marie Jacquard把他在紡織機上的經驗融入發明。1801年，他在巴黎的工業展中推出了一款紡織機，它可以「讀取」一系列打孔的卡片，來控制織出來的布疋花樣。這款紡織機是紡織界劃時代的革命，短短的十年內，法國境內就有至少一萬一千台這樣的紡織機。最重要的是，它使我們了解到，只要能調整機器的構造，它們就能從事不同的任務，而這概念拓廣了人們對於計算領域的想像。

1822年，英國數學家暨博學家Charles Babbage在對皇家天文學會所做的簡報中，提出「差分機」（Difference Engine）的設計及運作說明。這台機器可以從事極複雜的運算，速度和準確度遠遠凌駕任何人。Babbage建議，這台機器可以協助建立行星運轉表格，提供當時導航所需要的資料。這個計畫引起英國政府的興趣，並在隔年開始投入建造。但是由於計畫相當複雜，在1830年代中期，Babbage和工程師Joseph Clement終於因為成本的問題而宣告計畫中止。

在1842年英國政府完全砍掉給Babbage的資助之前，他已經開始執行一個野心更大的設計，從現代的角度來看，它可說是最早具備電腦全方位功能的裝置。這具「分析機」（Analytical Engine）的確相當複雜，可以執行的任務超過簡單的代數運算。比如說，它可以根據是否符合某條件句來決定要不要執行某些動作；可以使用一組打孔卡對這台機器下達命令，處理用另一組打孔卡輸入的資料；然後還可以使用簡單的列印機或圖形繪製機輸出結果。它內部負責計算的架構規格統一，由數個單元構成，另外也有記憶體能存取數值。Babbage取得了一份簡單的演算法範例，也許是Ada Byron在她的機器上使用的那一份。Ada是詩人拜倫的女兒，也是勒芙蕾絲伯爵夫人（Countess of Lovelace），她是才華洋溢的數學家，一般公認為世界上第一位程式設計師。

可惜，1871年Babbage辭世，此前他只建構完成了部分的分析機。他的兒子亨利找不到金援繼續這個計畫，Babbage的想法於是塵封了數十年之久。

然而，1889年美國發明家暨統計學家Herman Hollerith也想出用打孔卡來儲存資料的點子。他的電子機械「製表機」（tabulator）在電流通過卡片上的小孔時，記錄電流的脈動，製表機於是可以高速地讀取打孔卡片。Hollerith發明的這具高效率的機器改變了處理和運算資料的方式。1890年時它被拿來處理美國的人口資料，而且提早數個月完成任務。Hollerith成立的公司最後變成商業巨人IBM的核心部分。

Hollerith的製表機內有一個重要的概念：二元系統，這個系統只有兩種狀態：「開」與「關」，分別代表數字「1」和「0」。十七世紀晚期，萊布尼茲首度探究二元數值系統，發現二元系統可以簡化某些計算。(待續)

(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)