天才辈出的机械计算时代

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机械计算是在人类基础科学突进和资本主义扩张的历史背景下产生的,这一时期,人们面临着前所未有的计算挑战,主要体现在计算量的剧增、以及精度要求的提高,计算难度倒仍大体停留在(或可分解为)最简单的四则运算。人类首次意识到自动化计算的意义,哪怕只是能让机器分担最简单的那一部分。

这一时期的产品多数功能简单,却很是笨重(后来出现的科塔除外),往往占据一个桌角甚或半张桌子后便很少挪动,因此除了“机械(式)计算器”,我们也常称之为“桌面(式)计算器”。根据交互方式的不同,最终普及的产品可分为手摇式计算器和按键式计算器。这些都是我们在谈到机械计算设备时常用的称呼。

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机械计算技术的发展历程,像极了如今许多科技产品(比如可穿戴和智能家居)孵化的过程,都要经历提出概念/方向探索、内测试验和商业推广这3个阶段。有些创意倒在了前两个阶段,有些产品输在了第三阶段初期,最终存活下来的,便是历史的选择。

首先是方向探索阶段,新概念的出现,成为时代的分界线。这一阶段的发明者还不知道哪条路能通向未来,各种解决方案层出不穷,也正是这种百花齐放,给后来者提供了更多选择。以契克卡德计算钟为代表的对手动时期计算工具的封装[1]、以帕斯卡算术机为代表的早期加法器,乃至影响了整个机械时期的莱布尼茨步进计算器,都属于这一阶段的开拓性工作。值得一提的是,除了步进计算器,莱布尼茨还提出过类似销轮的改变齿轮齿数的设计,更超前地提出过一种简易的二进制机械加法器——这些都是意义非凡的探索,只是限于时代,许多想法无从实现,或没有实用价值罢了。

而后是内测试验阶段,这时方案已经落地,概念已经成型,只是局限于发烧友的小圈子里流行。帕斯卡和莱布尼茨的成果也可以归于这一阶段,他们都尝试过批量建造,却终究在普通用户那里摆脱不了类似“半成品”的鸡肋感或“奢侈品”的高冷范。

最后是商业推广阶段,从托马斯开始,机械计算才真正得到普及,并逐渐形成了多元化的竞争市场。

19世纪出现的机械计算器主流产品(黄色横条代表研制周期,绿色横条代表19世纪内的生产周期)

不单是机械计算器,后文的机电计算机和电子计算机也都遵循着这样的发展规律。

最另类的,自然要数巴贝奇了,他的理念过于超前,以至于不但可以归入机械时期的第一阶段,也可以归入机电时期乃至电子时期的第一阶段。

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有意思的是,由于技术的断代,今人在回顾这一时期的计算设备时仿佛有种窥探平行宇宙的新奇感。磨练了300多年的机械制造技术似乎并没有为计算机领域留下多少遗产,甚至有些言论认为这段历史和计算机发展本身关系不大,其实不然,机械计算器恰恰是计算机发明的起点,从此时开始,人们不再满足于简单地使用工具进行辅助,而走出了将智力交给机器的第一步。

尽管计算机的硬件早已今非昔比,在机械时期诞生的一些计算思想却沿用了下来,比如帕斯卡算术机的补码、以菲尔特算术仪为代表的键盘设计、巴贝奇所意识到的幂级数展开的意义,等等,更别提分析机中众多超越时代的远见卓识。

1981年,电气和电子工程师协会IEEE[2]设立计算机先驱奖,相比图灵奖,更侧重于表彰计算机硬件方面的先驱者,它的奖章上刻着的不是巴贝奇,也不是其他后来者,而是仅仅实现了自动加减法的布莱士·帕斯卡。


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  1. 封装纳皮尔筹的发明其实有很多,制作自动算盘的尝试也曾屡有出现,由于篇幅原因,本书不再提及。

  2. IEEE:电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers),当今世界上最大的非营利性专业技术学会,在能源、医学、电子、通信、计算机等技术领域制定了众多国际标准。

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