从世界上第一台真正意义上的电子计算机诞生到今天遍布全球的互联网络,几乎无处不在、无所不能的电子计算机,已经走过了70个春华秋实。电子计算机发展的历史中,有令人惊叹如沧海桑田的巨变,也有英雄人物和跌宕起伏的发明故事,这些逐渐沉积于历史的辉煌,给后人留下了长久的思索和启迪。
〖BT(23]2.1电子计算机[1]2.1.1一代机诞生在第二次世界大战关键时期,世界上公认的第一台电子计算机诞生于美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场。阿贝丁陆军试炮场研制电子计算机的最初设想,出自于“控制论之父”维纳教授。早在第一次世界大战期间,弹道实验室负责人、著名数学家韦伯伦曾邀请维纳教授来到阿贝丁陆军试炮场为高射炮编制射程表,在这里,维纳萌生了控制论的思想,并且第一次给韦伯伦提出了研制高速计算机的建议。
1943年,阿贝丁陆军试炮场再次承担美国陆军新式火炮的试验任务,陆军军械部派青年军官戈德斯坦中尉,从宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院召集来一批研究人员,帮助计算弹道表。戈德斯坦本人就是数学家,战前在密歇根大学任数学助理教授。他从陆军抽调了100多名姑娘做辅助性人工计算,但这样不仅效率低还经常出错。于是,莫尔学院的两位青年学者——36岁的副教授莫契利和24岁的工程师埃克特,向戈德斯坦提交了一个研制电子计算机的设计方案——《高速电子管计算装置的使用》,他们建议用电子管为主要元件,制造一台前所未有的计算机,能够把弹道计算的效率提高成百上千倍。
1943年4月9日,美国陆军军械部召开会议审议这个方案。会议即将结束时,身为军械部科学顾问的韦伯伦一锤定音,他猛然站起身,“砰”的一声推开身后的椅子,对阿贝丁试炮场负责人大声说:“西蒙,给戈德斯坦这笔经费!”说完这句话,立即转身走出大门外,戏剧性地决定了第一台电子计算机的命运。军方与莫尔学院签订的协议是提供14万美元的研制经费,但后来合同被修订了12次,经费一直追加到了48万美元,大约相当于现在的1000多万美元。
电子计算机研制项目由莫尔学院资深教授勃雷纳德总负责,他曾经讲:“这是一个不能确保一定会达到预期效果的研制方案,然而现在正是一个合适的时机。”莫尔学院组织了一个朝气蓬勃的跨学科攻关的计算机研制小组,小组成员包括物理学家、数学家和工程师共30余名。其中,戈德斯坦负责协调项目进展,莫契利、埃克特和勃克斯为主要研制人员。莫契利是总设计师,主持机器的总体设计;埃克特是总工程师,负责解决复杂而困难的工程技术问题;勃克斯则作为逻辑学家,为计算机设计乘法器等大型逻辑元件。
2网络时代00参与研制的还有一位重量级人物。那是1944年仲夏的一个傍晚,戈德斯坦中尉来到阿贝丁车站,等候去费城的火车,突然看见前面不远处闻名世界的大数学家冯·诺伊曼正向他走过来。戈德斯坦感到绝不能放过这次邂逅,他把早已埋藏在心中的几个数学难题,一股脑儿倒出来向数学大师讨教。诺伊曼和蔼可亲,丝毫也不摆谱,耐心地为戈德斯坦排忧解难。听着听着,他敏锐地从数学问题里,感到眼前这位青年身边正发生着什么不寻常的事情,于是便开始反过来向戈德斯坦发问,直问得戈德斯坦“好像又经历了一次博士论文答辩”。最后,戈德斯坦毫不隐瞒地告诉诺伊曼莫尔学院的电子计算机项目和目前的研究进展。诺伊曼感到既震惊又兴奋,从1940年起,他就是阿贝丁试炮场的顾问,繁重的计算问题也曾使数学大师焦虑万分。他急不可耐地向戈德斯坦表示,希望亲自到莫尔学院看一看那台尚未出世的机器。
骄阳似火的8月,诺伊曼风尘仆仆地赶到了莫尔学院的试验基地,立刻约见电子计算机研制小组成员,他首先问及的就是机器的逻辑结构设计。大师以自己的睿智彻底折服了莫契利和埃克特,从此成为莫尔电子计算机研制小组的实际顾问。诺伊曼运用他渊博的学识,把年轻人提出的各种设想引向深入讨论,并逐步形成了电子计算机的系统设计思想。诺伊曼以其厚实的理论功底、极强的综合能力,极大地提高了莫尔小组的整体水平,使莫尔电子计算机研制小组成为了“人才放大器”,至今依然是科学界敬慕的科研组织典范。
1946年2月14日,恰逢当年“情人节”,世界上第一台电子计算机研制成功,研制小组命名它为“埃尼阿克”(ENIAC,即“电子数值积分和计算机”的英文缩写)。埃尼阿克采用穿孔卡输入输出数据,每分钟可以输入125张卡片,输出100张卡片。其内部总共安装了17468只电子管,7200个二极管,70000多只电阻器,10000多只电容器和6000个继电器,电路的焊接点多达50万个;机器被安装在一排2.75m高的金属柜里,占地面积为170m2左右,总重量达到30t,其表面布满电表、电线和指示灯,而它的耗电量超过174kW·h,电子管平均每隔7min就要被烧坏一只,必须不停更换。它的运算速度达到每秒可以算5000次加法,可以在3/1000s时间内做完两个10位数乘法。一条炮弹的轨迹,20s就能计算出来,比炮弹本身的飞行速度还要快。相比较我们今天已经发展到第五代、运算速度可达几十亿次的计算机,它的性能只相当于我们日常使用的简单计算器,然而,这台计算机仍是一个划时代的发明。埃尼阿克的诞生标志着电子计算机的登场,人类社会从此大步迈进了电子计算机时代。
在埃尼阿克尚未投入运行前,诺伊曼就已开始对这台电子计算机的设计方案进行更进一步的改进,他把新的计算机设计方案命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写为“EDVAC”。1945年6月,诺伊曼与戈德斯坦等人联名发表了一篇长达101页的报告,即计算机历史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代计算机体系结构坚实的根基,直到今天,仍然被认为是现代计算机科学发展中里程碑式的文献。
在这份报告中,诺伊曼明确规定出计算机的五大部件:运算器(CA)、逻辑控制器(CC)、存储器(M)、输入装置(I)和输出装置(O),并描述了五大部件的功能和相互关系。莫契利和埃克特研制的埃尼阿克计算机虽然获得了巨大的成功,但它最致命的缺点是程序与计算分离。指挥近2万只电子管“开关”工作的程序指令被存放在机器的外部电路里,在计算某个题目前,埃克特必须派人把数百条线路用手接通,像电话接线员那样工作几小时甚至好几天,才能进行几分钟的运算。与埃尼阿克相比,“EDVAC”的改进首先在于诺伊曼巧妙地想出“存储程序”的办法,程序也被他当作数据存进了机器内部,以便计算机能自动一条接着一条地依次执行指令,再也不必去手动接通线路。其次,他明确提出电子计算机必须采用二进制数制,以充分发挥电子器件的工作特点,使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的电子计算机统称为“诺伊曼机”。
自诺伊曼设计的“EDVAC”开始,直到今天我们用的各种类型的多媒体计算机,可以说一代又一代大大小小千千万万台计算机,都没有跳出“诺伊曼机”的设计思想。鉴于冯·诺伊曼在电子计算机研制过程中做出的贡献,尤其是他为现代计算机的发展指明了方向,人们后来把他称为“电子计算机之父”。当然,随着人工智能和神经网络计算机的发展,“诺伊曼机”一统天下的格局已经被打破,但诺伊曼对电子计算机的发展做出的巨大贡献,将彪炳史册。
虽然人们交口赞誉诺伊曼是“电子计算机之父”,但他自己对此却不以为然。据担任过他助手的物理学家弗兰克尔介绍说,诺伊曼曾多次向别人坚决强调:如果不考虑其他人早先提出的有关思想,“电子计算机之父”的头衔只能属于阿兰·图灵!正是诺伊曼本人,亲手把“电子计算机之父”的桂冠转戴在图灵头上。这并不仅仅是因为诺伊曼具有谦虚的美德,甚至连许多史学家也都认真地讲:“图灵才是计算机之父。”直到现在,计算机界仍有个一年一度的“图灵奖”,颁发给最优秀的计算机科学家,它就像“诺贝尔奖”那样,是计算机领域的最高荣誉。那么阿兰·图灵究竟是一个怎样的人物,居然值得冯·诺伊曼如此推崇呢?
阿兰·麦席森·图灵,1912年6月23日出生于英国帕丁顿一个书香门第。1931年考入了剑桥皇家学院,师从著名数学家哈代。大学毕业后他留校任教,不到一年就发表了几篇很有分量的数学论文,因此被选为皇家学院的研究员,这时的他才22岁。1936年,伦敦权威的数学杂志又收到图灵的一篇论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》,这篇论文后来被永远载入了计算机的发展史册,照耀着现代电子计算机的前进方向。在外行人看来,这篇论文似乎与电子计算机没有什么联系,然而它却是阐明现代电子计算机原理的开山之作,曾经有人把这篇论文改名为《理想计算机》。在这篇论文里,图灵论述了一种“图灵机”,“图灵机”的特点是只要为它编好程序,它就可以承担其他机器能做的任何工作。在世界上还没人提出通用计算机的概念前,图灵已经在理论上证明了它存在的可能性。
第二次世界大战爆发使图灵暂时放下了理论研究工作,到布雷契莱庄园承担了“超级机密”研究——协助军方破解德国的著名密码系统恩尼格玛,有力地帮助盟军取得了第二次世界大战的胜利。1945年,图灵带着大英帝国授予的荣誉勋章,被录用为泰丁顿国家物理研究所的高级研究员。由于有了在布雷契莱庄园的实践,图灵提交了一个长达50页的“自动计算机”的设计方案,并领导一批优秀的电子工程师,制造了一种名叫ACE的新型电子计算机。1950年,ACE电子计算机的样机公开表演,被认为是世界上最快最强有力的电子计算机之一。它大约用了800只电子管,成本约为4万英镑。图灵在介绍ACE的存储装置时说:“它可以十分容易地把一本小说中的10页内容记住。”显然,ACE比埃尼阿克的存储器更先进。
1950年,图灵来到曼彻斯特大学任教,并被指定为该大学自动计算机项目的负责人。就在这一年的10月,他的另一篇划时代论文《机器能思考吗?》发表。这篇文章如一声惊雷,震撼了整个电子计算机业,它使图灵荣膺又一顶桂冠——“人工智能之父”。
1952年,图灵由于同性恋问题而被英国警方定罪。在经过著名的公审后,他被给予了两个选择:坐牢或注射激素疗法。他选择了注射激素,并持续了一年。在这段时间里,药物对图灵的身心健康产生了许多副作用。
1954年,图灵正跨进他人生的第42个年头,风华正茂,年富力强,正处于生命最辉煌的创造巅峰期。6月8日清晨,图灵的女管家走进他的卧室,看到台灯还亮着,床头柜上有个苹果,只吃了一小半,而图灵则安详地沉睡在床上,他永远地睡着了,再也没有醒来……经警方调查,那个吃了一小半的苹果浸染过含有剧毒氰化物的溶液。图灵的母亲说他是在做化学实验时不小心沾上的,她的“阿兰”从小就有咬指甲的习惯。但外界的说法是服毒自杀,一代天才就这样走完了他的人生。
随着时代的进步,英国的法律已不再视同性恋为违法行为,并开始允许同性伴侣民事结合。在这一大环境下,2009年9月10日,在三万民众的联名请愿下,英国当时的首相戈登·布朗正式代表英国政府向“图灵事件”进行了公开道歉。
图灵是一位科学史上罕见的具有非凡洞察力的奇才:他的独创性成果使他生前就已名扬四海,而他深刻的预见使他死后亦备受敬佩。当人们发现后人的一些独立研究成果似乎不过是在证明图灵思想超越时代的程度时,不禁都为他的英年早逝感到由衷的惋惜。冯·诺伊曼认为图灵才是“电子计算机之父”,显然是有充分理由的。有好事者们纷纷传说,第二次世界大战即将结束时,图灵曾到美国亲自拜访过冯·诺伊曼,两位“电子计算机之父”为共同“孩子”的成长和未来,数日彻夜长谈。图灵讲的是“图灵机”如何工作,而冯·诺伊曼则谈到“诺伊曼机”的构造原理,两颗“天皇巨星”在轨道上相遇,把黑暗的宇宙星空照耀得分外光明。遗憾的是,当时的知情者中没有人出来证明这个传闻的真实性。
谈及“计算机之父”的荣誉,还有一个人不得不提,那就是“数字计算机之父”克兰德·楚泽。
在1945年盟军攻陷法西斯德国的首都柏林后不久,占领阿尔卑斯山区一个偏僻小镇欣特斯泰因的法国士兵报告了一个惊人的消息:在一个粮仓地窖里发现了德国研制的先进计算机!两名英国情报官闻讯立即赶到了欣特斯泰因进行调查。打开地窖,里面确实存放着一台机器。情报官们凑上前仔细打量后笑称,这机器怎么看也不像是德国的“先进计算机”,充其量像是某个印刷厂遗弃的排字机,因为“德军再傻,也不会把这么重要的设备放在交通极为不便的山区。”