怎麼造電腦？(2/2)

怎麼造電腦？(2/2)
撰文／Giles Sparrow｜譯者／易思婷
轉載自《BBC知識》2014年6月第34期

今日我們把電腦視為理所當然，但當初數學家和工程師們可是經歷數個世紀的努力，才終於造出在第二次世界大戰擊潰德國，進而發展出現代電腦的先驅機器。

(續前文)

二元時代

1854年英國數學家George Boole建議使用「布林運算」這種邏輯系統，其中，邏輯運算的輸入值和結果有兩種可能：「真」和「偽」。但一直到美國數學家和工程師Claude Shannon在1937年對這主題發表對後世影響深遠的大師級論文後，才真正使用二元繼電器電路（使用電流控制的簡單開關），實做「邏輯閘門」來處理布林運算。

當然，現在看起來二元的好處再明顯也不過了。實做上，正確地用繼電器組合起來邏輯閘門，可以由兩個輸入值來決定一個輸出值（比如說，AND閘門只在兩個輸入值都為一的時候會產生訊號，OR閘門只需要在一個輸入值為一時就會產生訊號）。集合眾多邏輯電閘建構出來的網路，就可以在二元資料上以高速度處理更複雜的邏輯運算。

不過，其他人在同時也想出使用繼電器來建造電腦的主意。同樣是1937年，任職新澤西州貝爾電話實驗室（Bell Telephone Laboratories）的研究員George Stibitz，在他的餐桌上用電燈泡和繼電器做出一個簡單的邏輯網路。隔年，他的頂頭上司要求他根據該概念，架構一個成熟的電子機械計算機器，1940年一月Stibitz完成他的「複數電腦」（Complex Number Computer），只不過這台機器不能執行程式，所以算不上是真正的電腦。

在此同時，大西洋彼岸一位熱愛計算的工程師Konrad Zuse，也投入很大的心力研究這個主題。1938年之前，他利用少得可憐的預算，在父母親的客廳裡發展出一台命名為Z1的機器，這台機器雖是純粹的機械裝置，卻的確可以執行簡單的程式。接下來的數年，他得到德國軍方的贊助，陸續發展出Z2以及1941年的Z3。Z3使用電子機械繼電器，而不僅只使用機械開關，因此比之前的機器來得更為可靠。但隨著第二次世界大戰白熱化，德軍認為還有其他更要緊的事，於是拒絕Stibitz打算將所有繼電器全面換成電子閥門的要求。

英方的努力

然而在英國，一些有識人士卻預期計算能力將是戰事決勝的關鍵。1939年大戰正式展開之前，英國和波蘭的專家就開始努力破解、德國那方像惡魔般難以解析的恩尼格瑪（Enigma）密碼機器。波蘭失守後，集中在赫特福德郡（Hertfordshire）的布萊切利園（Bletchley Park）的英方更是宵旰努力。英方募集了國內眾多優秀的學者和工程師投入這個計畫，其中包括劍橋的數學家圖靈，1936年圖靈曾經發表一篇影響深遠的論文，即在討論「計算機器」的應用潛力。

布萊切利園團隊用盡各種方式破解德國的密碼， 從運用邏輯、直覺猜測、到剛起步的計算能力。理論上當時的恩尼格瑪和德國的其他密碼機是無法破解的，但是使用那些密碼機的人也許會不小心犯錯，那麼排列組合的可能總數當會縮小到可以處理的大小。圖靈在布萊切利早期的計畫，發展出來的密碼破譯機器「炸彈」（Bombe），即為可以高速過濾可能的密碼解答的電子機械計算裝置。

儘管炸彈密碼破譯機可以破解一般的恩尼格瑪信號，但是德國高層顯然使用更複雜的洛倫茨（Lorenz）密碼機來傳遞最敏感的指示。英方無法等待數週來破解那些訊息，必須要發展更好的裝置。

這促使他們發展出「巨像電腦」（Colossus）。巨像電腦分析用打孔卡輸入的密碼化訊息，然後與一台內建的電子模擬密碼機比對不同解答的機率。數學家Max Newman是該機器基本運算原則的發展者，電信工程師Tommy Flowers則根據設計建造該機器（參見下方〈關鍵發現〉一欄）。

美國在1943年製作出重達30公噸的ENIAC，它每秒可以從事5,000次運算，速度比之前的電腦快上數千倍。（圖片來源：Corbis）

在此同時，美國也有數個團隊在發展電腦，而當美國最後也進入戰場時，發展的速度更加提高。後來美國發展出了「電子數值積分計算器」（Electronic Numerical Integrator and Calculator，簡稱ENIAC）。ENIAC是John Mauchly和John Presper Eckert從1943年開始在賓州大學建造的，重達三十公噸，是個徹頭徹尾的電子裝置，內有一萬八千個電子開關，每秒可以執行五千次運算，比之前的電腦快上數千倍。

更驚人的是，ENIAC是個一般用途的電腦，可以重新程式化，以執行層面廣闊的不同任務。起初「重新程式化」的過程牽涉到實際改變連接元件的線路，但是在採用美籍匈牙利科學家John von Neumann的建議後，ENIAC的設計者很快地實做出可使用「儲存程式」（stored programs）的改良方案，使用者可以在「功能表格」（Function Table）中儲存改變電腦任務的模組化指令。1948年9月ENIAC完成改良，加入這個革新概念、新一代的ENIAC，比它的下一代EDVAC早了將近一年投入運作（而EDVAC的設計藍圖就已經納入「儲存程式」的概念）。

電腦科學家Grace Hopper使用打孔機將問題傳化成程式碼，輸入給計算機。美國在1944年大戰期間使用這台計算機。（圖片來源：Corbis）

「儲存程式」在電腦發展上是個大躍進，1952年程式設計師Grace Hopper做出第一個編譯器（compiler），編譯器這個程式可以將使用程式語言寫成的命令，翻譯成電腦可以了解的二元信號。這不但降低了寫程式的難度，也讓大家看到「在不同設計的機器上跑相同程式」的希望。

1950年代，電腦開始走出實驗室成為商業產品。電晶體取代體積龐大、高熱、且不可靠的電子閥門。1953年開始，第一台以電晶體架構的電腦原型開始在英國曼徹斯特大學運作。當然，從那個時代到現在的智慧手機和平板電腦，還有好長一段路要走，不過這一路上最近、最大的突破大概是1950年代晚期，由德州儀器（Texas Instruments）電子公司的Jack Kilby造出的首台使用積體電路的電腦。從此計算領域上持續發展出更小、更強大的機器。(完)

(圖片來源：Science and Society)

(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)