机械计算器史上的最强大脑

这次我们来认识一下机械史上最强大脑:英国数学家查尔斯·巴贝奇,他是可编程计算机的发明者,计算机的先驱。他设计过的计算机器有差分机、分析机和第二个差分机。不管是差分机还是分析机都可谓是机械史最复杂的巅峰之作。

英国数学家查尔斯·巴贝奇

巴贝奇的第一个贡献是制作了一台"差分机"。所谓"差分"的含义,是把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算。

其基本想法或者说根本目的是利用“机器”将计算到印刷的过程全部自动化,全面去除人为疏失(如:计算错误、抄写错误、校对错误、印制错误等)。

差分机一号(Difference Engine No.1)由英国政府出资,工匠克里门打造,预计完工需要25,000个零件(大致均分在计算和印刷两部分),重达4吨,可计算到第六阶差,最高可以存16位数(相当于千兆的数)。但因为大量精密零件制造困难,加上巴贝奇不停地边制造边修改设计,从1822到1832年的十年间,巴贝奇只能拿出完成品的1/7部分来展示。

差分机一号的1/7完成品

10年最后只造了1/7,这大概可以名列史上失败的最奢侈的产品经理之一......前后大概花了17000英镑,而当时棉纺织厂的一个男工一年才挣1.5英镑,是其10年收入的1100多倍。

不过差分机运转的精密程度仍令当时的人们叹为观止,至今依然是人类踏进科技的一个重大起步。

巴贝奇不断延后差分机的完成期限且预算严重超支,这样的结果就是失去政府的支持,但他没有气馁,仍继续工作,设计一台更为复杂的机器——分析机。

实验性的部分分析机

分析机大体上有三大部分:

是齿轮式的"存贮库",巴贝奇称它为"仓库"�(Store),每个齿轮可贮存10个数,齿轮组成的阵列总共能够储存1000个50位数。
是所谓"运算室",它被巴贝奇命名为"作坊"(Mill),其基本原理与帕斯卡的转轮(你知道牛X哄哄帕斯卡计算器吗?)相似,用齿轮间的啮合、旋转、平移等方式进行数字运算。为了加快运算速度,他改进了进位装置,使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。
这一部分巴贝奇没有为它具体命名,其功能是以杰卡德穿孔卡中的"0"和"1"来控制运算操作的顺序,类似于电脑里的控制器。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作,比如,第一步运算结果若是"1",就接着做乘法,若是"0"就进行除法运算。此外,巴贝奇也构思了送入和取出数据的机构,以及在"仓库"和"作坊"之间不断往返运输数据的部件。
"这台机器也就是分析机不论在可能完成的计算范围、简便程度以及可靠性与精确度方面,或者是计算时完全不用人参与这方面,都超过了以前的机器。"巴贝奇把分析机设计得那样精巧,�他打算用蒸汽机为动力,驱动大量的齿轮机构运转。

但分析机终究没能造出来,包括第二个差分机在1849年设计出来却在有生之年只实现了很小一部分。巴贝奇失败了。巴贝奇的失败是因为他看得太远,他的那些设想特别是分析机的设想超出了他所处时代至少一个世纪!社会发展的需求和科学技术发展的可能,使得他注定要成为的悲剧人物。尽管如此,巴贝奇为电脑科学留下了一份极其珍贵的精神遗产,包括30种不同设计方案,近2000张组装图和50000张零件图……,更包括那种在逆境中自强不息,为追求理想奋不顾身的拼搏精神。

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