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如果时光回转,机械计算机取代了电子计算机,这将是一个什么样的世界

如果时光回转,机械计算机取代了电子计算机,这将是一个什么样的世界

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我问大家:“那你们的计算机的数制呢?你们都有电脑吧?” 我们再次达成了一致,他们都说是二进制。

披棕色大衣的人说:“这是很自然的,要不计算机就很难发明出来。因为只有两种状态 :豆子掉进竹片的洞中或没掉进去。”

我又迷惑了:“ ……竹片?豆子?”

“ 看来你真的没上过学,不过周武灵王发明计算机的事应该属于常识。”

“ 周武灵王?那个东方的国王或巫师?”

“你说话要有分寸,怎么能这样形容控制论的创始人?”

“那计算机……您是指的中国的算盘吧?”“什么算盘,那是计算机!占地面积有一个 足球场那么大,用竹片和松木制造,以黄豆做为运算介质,要一百多头牛才能启动呢! 可它的CPU做得很精致,只有一座小楼那么大,其中竹制的累加器是工艺上的绝活。”

“怎么编程序呢?”

“在竹片上打眼呀?那个出土的青铜钻头现在还存在北京的故宫博物馆里呢!它的中文 名字叫‘辞头’ ,现在人们用这个名称称呼磁盘上读写的那个部件。周武灵王开发的 易经3.2 ,有上百万行代码,钻出的竹条有上千公里长呢……”

这个片段来自刘慈欣的《纤维》,一个飞行员偶然穿越到时空中转站,和平行空间的人 们交流的故事。其他平行空间里有第二个月亮,有5进制的算术,有粉红色的大气层, 还有……竹子做的计算机。

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在这个科幻设定里,周武灵王的竹豆计算机和灰色的天空、第二个月亮是并列的要素, 用来区分我们这个世界与平行世界。换句话说,这是刘慈欣和他的读者认为我们和平行 世界最重要的区别之一。灰色的天空、第二个月亮,或者说地球的光环都是自然因素, 非人力所能改变,但竹子和豆子都是咱们这个世界的常见玩意,为何我们这个世界没有 出现青铜时代的“豆子信息化”呢?

说到这个问题,咱们首先要搞清楚“信息化”是个啥玩意。

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其实人类整个文明史就是一个“信息化”的历史。比如说,在文字出现之前,记录历史 只能靠脑子来记忆。短期内的历史,比如去年打了几头大象,或者附近部落被洪水冲了 ,这种八卦新闻随便在闲谈中聊聊还算凑合。长久、重大的历史,比如说对某次重要战 争的记录,就必须让专人负责传递记忆,也就是背诵史诗的民间艺人。这样的人本质上 就是一本书,他要用半辈子背诵史诗(相当于抄写书稿,把文字存入硬盘),再用剩下 的半辈子给别人讲述(读取信息,让人阅读)。一直到最近1000年,识字率极低的地区 ,比如中世纪的西欧还要靠这样的游吟诗人保存历史,给不识字的贵族和平民带来一点 文化生活。在西藏这种蛮荒之地,纯粹靠语言和记忆保存史诗的方式直到几十年前才结 束。

毫无疑问,这种用大脑保存信息,用声音读取信息的方式无疑太贵了——想想你摆 在书橱上的每本书都要吃饭,住房子娶媳妇,一切都由你付账,你还能买几本书?往往 整个民族能有一两套“书”就不错了。更何况言语相传,肯定有疏漏有增减,往往传了 几百年就面目全非。正如《魔戒》片尾语所言“历史变成传说,传说变成神话”,这种 信息从娱乐的角度听着还算爽,从记录信息的角度来说完全不合格。所以人类要发明文 字,实现第一步的信息化,既节省了成本也保证了精确性——同一本书,谁读都一样, 半夜拿出来翻也不用发加班费。开始是用甲骨文、泥板记录,往后还有造纸术、雕版印 刷术、活字排版。每一次进步都意味着信息存储和读取的廉价化、标准化。

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西藏,演唱格萨尔王传记的艺人

除了信息的存储读取,人类还需要提高信息的处理效率。拿算术当例子,原始人和小孩 子在作加法的时候都有一个本能的反应——掰手指头,也就是累加计算。3 4,就是先 伸出3根手指,再挨个掰出4个,最后回过头把所有手指头点一边数,得出7的结果。手 指头不够的话,还可以用木棍、石子来辅助,原理上是一样的。为了避免每次计算都掰 手指头,你我都必须在小学低年级作大量的算术速算练习,直到我们把两位数的加减法 变成条件反射而不是累加的结果。从而把更大数字之间的运算分解成一系列条件反射的 累加,提高整体运算效率。

又比如苏美尔人最早的乘法是连续做加法,一位数的乘法也 必须挨个加起来,这和我们小学时学乘法原理的程序是一样的。这个方式足够简单但嫌 太慢。后来,学算术的学生就要背乘法表,背会了之后在脑子里建立固定的数字处理程 序,只要记住八八六十四这种口诀,就不必再每次计算都作七次加法。这也是信息化, 通过建立固定的反射来提高信息的处理效率。

信息存储和读取的标准化、廉价化,信息处理流程的标准化、高效化,这就是“信息化 ”的本质。我们常说的电子计算机革命一方面降低了存储成本,用少数电子就能替代数 万亿分子构成的文字,让你一个硬盘就顶上过去一个图书馆;另一方面用电路建立了标 准化的信息处理单元,我们可以通过硬件组合或者软件编程来组合这些单元,为特定的 任务建立高效的处理流程。这意味着廉价信息存取和高效处理的结合,所以这次电子计 算机革命改变了整个世界——和此前文字、印刷术、造纸术等发明在数千年间带来的变 革一样巨大,只是集中在几十年内发生,所以显得格外惊人。

电路只是计算机的物质基础,从原理来说,计算机无非是把信息数字化,然后用标准化 的原件状态(电脉冲)来表示数字,好方便的进行存取和处理。这当然依赖于电子和机 械行业的进步。但如果我们不强求“电子”这个定语,用其他的标准化原件状态来表示 数字,用电力之外的稳定动力源来驱动信息处理器,我们也可以在电子时代到来之前建 造计算机。(这里插一句,过去常有一个错误的描述,说算盘可以算作原始计算机,这 是一个错误的描述,算盘的口诀记忆不是在算盘的固定结构里,而是在人的大脑中,所 以算盘不具有设定好的信息处理单元,只是一个相对便利的存储器,甚至计算尺都比算 盘更像计算机)

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计算尺

从刘慈欣的描述来看,另一个时空里的青铜时代计算机是用豆子来作为标准化的物理量 ,用竹管里的稳定水流来驱动处理器。这当然在原理上没有什么不妥,只是限于水流速 度,计算慢了一点。但只要设定好程序,应该在复杂问题的处理上远胜于算盘。可惜在 我们这个时空,豆子的大小重量各不相同,竹子的管径也有大小之分,如果用这样的非 标准化元件来建造计算机,势必造成一个“1”和另一个“1”在计算机里不等价的结果 ,这就不是计算机了。假如周武灵王拿出秦始皇的劲头,非要用巨大的人力筛选标准化 豆粒和竹管的话,倒不如训练一批计算师来的省事。可以想象,在另一个平行时空里, 豆子就像“克拉”( 角豆树种子,重量一致,可作低精度砝码)一样,具有标准化的 重量;竹子管径统一,且异常坚韧,永不磨损,所以周朝可以建设计算中心(虽然我不 太清楚可以干啥)。

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重量波动很小的角豆

在我们这个时空,帕斯卡、莱布尼茨这些牛人也设计甚至制造过一些初步的计算机(计 算器)。比如说1642年,帕斯卡造了个机械计算器,用齿轮旋转来实现累加(减),用 半径差异10倍的齿轮来实现进位,能够用比人快几倍的速度进行加减法,并用连加和连 减来实现乘除。20年后,莱布尼茨看了帕斯卡的计算器,也造了一个计算器,只不过他 的计算器不是完全用圆形齿轮,而是用梯形轴来解决进位问题,从而更便捷的进行乘除 法计算。不过,他们的计算器固然精妙,在工业时代之前却必须和周武灵王面临同样的 问题——缺乏标准化部件和可靠的动力。没有标准化部件,每个齿轮和轴承都必须耗费 能工巧匠的大量时间,否则计算机要么卡死,要么损坏,要么和周武灵王的豆子一样, 不同的豆子代表不同的“1”,彻底消灭计算机的准确性。而没有外来动力,所有的部 件都必须通过手摇动力转起来,如果想进行复杂运算的话,恐怕工程师节约的计算时间 都要用来锻炼臂力还不够,更不用说手摇忽快忽慢,给精密计算部件带来的冲击磨损了 。所以直到19世纪,机械计算机始终是少数人的昂贵玩物。

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帕斯卡计算器

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早期计算器

标准化的元件、耐磨损的机械、稳定的动力并不需要等到20世纪中期才出现。从1780年 左右开始,英国爆发了工业革命,19世纪初期的工业社会已经能批量生产廉价的标准化 金属部件,还有可靠的蒸汽机提供稳定的动力,这足以满足性能远超过“竹豆计算机” 的“信息化”了。所以,顺理成章地,在活字印刷术和电子计算机之间,出现了“信息 化”进程的一个重要环节——机械计算机。

19世纪初期,就在唯一能提供标准化部件和成熟蒸汽机的英国,一个叫巴贝奇的教授先 是按照前辈的理论仿造了几台机械计算器。由于工业革命带来的技术进步,他大获成功 。然后巴贝奇觉得工业革命带来的机械进步,应该已经能让机械承担更复杂的逻辑任务 了,于是他设计了一台自动制表机,并在1822年制造成功。它被命名为差分机。比起此 前的机械计算器,差分机的性能并不算出众,依然是一台不能直接进行乘除计算的加法 机,但这台机器有一个包含寄存器的中央处理器,或者说cpu,计算方式可以控制,能 够根据不同的初始设定进行不同的自动计算,尤其是进行多项式计算。在一个机器生产 机器的工业化时代,这对于当时编制对数表、三角函数表、航海天文数据表的工作是一 个极大的助力。

差分机的成功极大的鼓励了巴贝奇。他此时已经是剑桥大学卢卡斯教研室教授(这个职 务的第一任是巴罗,第二任则是牛顿),借助这个地位,他要求英国政府资助他开发第 二代差分机。他最终得到了1.7万英镑,再加上自己的家族遗产,他前后使用了3万英镑 巨款(当时可换240公斤黄金)来开发第二代差分机。这台差分机使用蒸汽驱动,人力 只用来输入初始计算参数。它预计将包含7个20位寄存器,可以处理6次多项式的任何计 算,甚至还有专门的自动打印机来输出结果。如果它能制造出来,将比世界上其他机械 计算器加起来还要强大。19世纪的可惜巴贝奇还是高估了当时的机械加工能力,也高估 了自己最初设计的精密性。20年之后,巴贝奇的差分机还是一个半成品,预计的25000 个部件完成不到一半。因为每个部件的尺寸公差都要求在千分之一英寸之下,而且设计 细节必须反复修改,这大大超出了当时机械工业的加工能力。1839年,久劳无功的巴贝 奇辞去了卢卡斯教研室教授的职位,1842年英国政府完全停止了对差分机的资助,计算 机计划被迫停顿。

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差分机一号的 1/7 完成品

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后人制造的差分机二号

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差分机的运算部分

幸运的是,1842年这一年,巴贝奇泡到了拜伦的女儿,洛夫莱斯。她愿意为差分机这个 超时代的设想投入金钱,还有她自己的才华。她很快理解了巴贝奇的设计思想,并熟练 掌握了用穿孔卡片给机械计算机机编程的能力。洛夫莱斯设计了一系列计算方式,在不 改变差分机基本结构的前提下,能够让差分机实现计算三角函数、级数相乘、伯努利函 数等功能。在此过程中,她还通过反复使用同类卡片等方式,将子程序调用等概念引入 计算机行业。如果说巴贝奇是计算机硬件行业创始人的话,洛夫莱斯就可以算是软件业 的鼻祖。试想一下,软硬件行业的开山祖师居然不是在洁净的工作室里指着屏幕交流问 题,而是忙于建造、调试一台烧煤炭、冒黑烟,齿轮嘎嘎作响的纯机械,和满手油污的 机械工人们一起讨论技术方案,这场景未免有些怪异。但这的确是真实的历史。

1852年——那一年帆船的总吨位还是蒸汽轮船的几十倍。软件女王洛夫莱斯去世了,她 的资金和才华也没有能够让巴贝奇造出差分机。但她鼓励了巴贝奇坚持自己的科研方向 ,坚信信息化代表了未来的发展方向。正如她在翻译巴贝奇的论文时加上的脚注所言: “……制造有编程和记忆功能的机器,具有无限的可能性。这种机器不仅可以进行复杂 计算,还可以绘画和编曲……”。

如果时光回转,机械计算机取代了电子计算机,这将是一个什么样的世界洛夫萊斯,Augusta Ada LoveLace

在她的支持下,虽然巴贝奇没有完成差分机,却在信 息化的科研方向上越走越远。最终,在1871年去世之前,巴贝奇完成了更强大的计算机 设计图——分析机。这是一台完全的通用计算机,现代计算机的几乎全部关键要素都可 以在这台蒸汽动力的庞大机器里找到。

按照巴贝奇的设想:“我本人都为这台机器的威 力吃惊,一年前我还不相信能有这样的结果。这台机器可以处理100个变量,每个数可 以有25位数字。假定有一个函数f(v1,v2……vn),且n小于 100,f由加、减、乘、除 、开方和乘方组成,则这台机器可以决定这一函数的数值。……借助于这台机器,差不 多所有有限差分的公式都能转换成表格。”。分析机讲包括5万个部件,用巨大的齿轮 做寄存器,还有复杂的卡片系统供使用者开发新功能。巴贝奇为它画了2000多张1:1的 设计图纸,此时离1822年已经有快半个世纪,突飞猛进的技术使得程控计算机成为可能 ,遗憾的是巴贝奇已经无力筹集资金来完成这个伟大的计划。只能把图纸和设计思想留 给后人。

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分析机,伦敦科学馆的复制品

毫无疑问,比起手工处理信息,卡片 机械处理器的组合要先进的多,在数字运算上的 优势非常明显。至于档案分类处理这种复杂工作,机械计算机能够秒杀最勤勉的管理员 。1890年,计算机第一次发威,当年美国的人口普查信息最终由一台源于巴贝奇的穿孔 卡片式程控计算机汇总处理,六星期就完成了全部任务。可以做对比的是,此前的1880 年人口普查则花了七年时间才处理完全部数据,导致得到的最终数据完全过时。这次胜 利标志着计算机时代的来临。随着内燃机、电动机的发明和机械工业的进步,机械计算 机还将覆盖更多的领域。

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电力驱动的机械计算机

到20世纪中期,1911年建立的IBM已经在以每年数千台的规模生产机械计算机,用来处 理数十亿的卡片信息。在继电器的加强下,利用精密液压件构成计算单元的新一代计算 机也即将上市,可以每秒进行数百次基础运算。只是这已是机械计算机的最后辉煌,因 为1945年,第一台用电子管组装的计算机ENIAC已经开机,它的计算速度是……每秒 5000次。只有工业不那么发达的地区,比如咱们中国,直到70年代还在生产机械计算机 ,在老电影里常常可以看到大批的科技人员捧着手摇计算机算的天昏地暗,前辈们真是 辛苦。

如果时光回转,机械计算机取代了电子计算机,这将是一个什么样的世界ENIAC

如果时光回转,机械计算机取代了电子计算机,这将是一个什么样的世界如果时光回转,机械计算机取代了电子计算机,这将是一个什么样的世界

手摇计算机

比起电子计算机来,机械计算机有它先天的劣势。它用宏观的机械机构储存信息,这提 高了信息存取成本;用宏观机械运动传递信息,这降低了信息处理效率。因此,机械计 算机在电子技术发展后很快就被淘汰了,没有足够的时间来发展成熟,成了一条技术断 头路。前几天我给儿子买模型,惊讶于遥控模型竟然如此廉价。尽管人民币比80年代贬 值了十来倍,但从价格上来说。2010年的遥控模型居然和20世纪的80年代差不多价钱, 令我大呼便宜。回家仔细一想,原因无非是两条,一是石化工业的发展,塑胶外壳变便 宜了;其二就是控制系统从机械装置和继电器变成了小小单片机,所以曾经是贵族玩具 的遥控模型卖出了白菜价。从这个例子看,机械计算机被电子计算机逼进死胡同也是理 所当然。

历史上类似的技术死胡同还有很多,大英帝国就曾经认真地设计过洲际飞艇航运网—— 未见雏形就被飞机工业的迅速进展而消灭,最早的汽车本是蒸汽机驱动,但没等到蒸汽 机效率提高,就被内燃机汽车取代。虽然这些技术死胡同被更先进的工业门类淘汰了, 但作为人类可能的一条技术发展方向,推演一下还是颇有意思的。比如说,电力淘汰了 许多传动机构的发展方式。如果没有电力工业,我们可能需要在每个小区建立庞大的动 力站,用内燃机或蒸汽机直接提供家用能源,然后通过一系列机械传动把动力传输到每 栋楼房。每次我们打算洗点衣服或是开动空调,都必须开动一个齿轮离合器,把洗衣机 等家用机械接到本单元的驱动主轴上。杂志上会充斥着“新型离合器,结构简单,可自 行维护,适合宅男……速到苏宁内燃机械店购买”之类的家居广告。这样的蒸汽朋克式 狂想虽然很荒诞,但很有助于我们理解现代工业社会的本质。现在,让我们不妨狂想一 下,在一个没有电气工业、机械计算机充分发育的世界上,机械计算机会如何主导“信 息化”?

原文作者 马前卒

plantpark 不会跑步的码农不是好编辑
  1. 20年后,莱布尼茨看了帕斯卡的计算器,也造了一个计算器,只不过他 的计算器不是完全用圆形齿轮,而是用梯形轴来解决进位问题,从而更便捷的进行乘除 法计算。不过,他们的计算器固然精妙,在工业时代之前却必须和周武灵王面临同样的 问题——缺乏标准化部件和可靠的动力。没有标准化部件,每个齿轮和轴承都必须耗费 能工巧匠的大量时间,否则计算机要么卡死,要么损坏,要么和周武灵王的豆子一样, 不同的豆子代表不同的“1”,彻底消灭计算机的准确性。而没有外来动力,所有的部 件都必须通过手摇动力转起来,如果想进行复杂运算的话,恐怕工程师节约的计算时间 都要用来锻炼臂力还不够,更不用说手摇忽快忽慢,给精密计算部件带来的冲击磨损了 。所以直到19世纪,机械计算机始终是少数人的昂贵玩物。 重复了一次.. 虽然这篇文章有些“旧了”但是还是希望纠正下