巴貝奇——籌劃信息時代

巴貝奇——籌劃信息時代

摘自：
“中國東營”政府門戶網
http://www.dongying.gov.cn/Get/shenghuo/younth/keputiandi/3438.htm

　　跨進信息時代的新世紀，電子計算機無處不在。從一個夢想變爲現實，在這條佈滿荊棘的長路上灑下無數人的心血。當1871年年逾古稀的巴貝奇帶着自己畢生爲之努力奮鬥卻未竟的事業離開人世的時候，留下了寶貴的遺產——幾百張繪有幾萬個零件的圖紙、30多種不同的計算機設計方案和一大堆工作筆記。誰也無法磨滅他的卓越貢獻，把他作爲計算機的發明人之 —。

　　機器計算的設想

　　巴貝奇在上大學時就發現了航海表中的錯誤。最早的航海表是英國在1766年發表的，儘管造表人費了大量心血進行了精心計算，但表中還是有許多錯誤，這嚴重影響了輪船在海上定方位的準確性。巴貝奇萌生了想用機器來製作數表的念頭。

　　18世紀末法國組織的一項規模巨大的、複雜的計算工作給巴貝奇留下了深刻的印象。由於當時法國引進了米制，法國政府決定在數學中採用十進位制。法國政府甚至把十進位制引入到對圓周、角度的度量上，這樣一來，就必須重新計算大量的數表，首先是三角函數表和對數表。令人驚訝的是，這項浩繁的計算工作在較短的時間內完成了，數表共有大開手抄本30餘卷，能基本上滿足應用上的需求。

　　巴貝奇對這項工作的開展過程頗感興趣，他瞭解到全部工作是分三步完成的：第一步由數學家提出數學解析公式；第二步由熟悉數學的人把公式轉換成便於處理數據的形式；第三步由稍具數學知識的人按公式指定的順序只做加減法的運算，得出最終結果。巴貝奇注意到，完成第三步工作的人所犯的錯誤最少，儘管他們並不具備高深的數學知識，因爲他們的工作完全是機械式的，只需熟練地進行加減就可以了。巴貝奇認爲這部分人的工作完全可以由機器來代替，機器可以做得更快、更準確。

　　巴貝奇是一位勇於把設想付諸實踐的實幹家。自從萌生了用機器來作運算的想法後，就把主要精力轉向研製計算機了。

　　試製差分機的艱難歷程

　　巴貝奇首先設計出了差分機，差分機的基本原理是使相應階（與多項式方次有關）的多項式有限差分等於零。差分機可以用於計算數的立方、對數、三角函數和其他許多表格。巴貝奇甚至認爲，差分機可以用來計算不知道解析規律的表以及某些沒有常數差分的數列。

　　1812年巴貝奇就開始了製造差分機的工作。設計和製造機械式計算機在當時是非常複雜的事情。巴貝奇不但自己要製造單個部件，而且還要造一些機器來生產這些部件。儘管有着種種困難，巴貝奇在1822年還是製成了帶有3個寄存器的小差分機。每個寄存器有6個部分，每個部分有一個字輪。沿着這些字輪的圓周對應每個齒帶，寫上從0到9的數字，在底下的輪標明爲個位，上一個是十位，以此類推。用這臺機器可以計算5位數字，巴貝奇用這臺機器計算了平方表和其他一些表格。

　　巴貝奇在製成第一臺差分機之後，又開始了更大規模的差分機的研製工作。他說服了英國皇家學會，得到了政府的財政資助。新的機器主要能用以計算天文學和導航方面的數表，應當能處理20位數和6級差分，因此應當有7個20位的寄存器，而且要有印刷設備。製造時間計劃爲3年，成本爲3000英鎊到5000英鎊。

　　在巴貝奇的周圍很快聚集了一批有才能的工程師。巴貝奇負責設計工作，在製造過程中他不斷地加以改進。例如，他幾次重新設計了機器的某些部件，使得乘法進位的時間比第一臺差分機縮短了4／5。然而進一步的工作遇到了很大的麻煩，主要是受當時技術水平的限制，機械加工難以達到差分機要求的高精密程度。轉眼10年過去了，機器還沒有製成。爲製造這臺機器，政府已經投資了1.7萬英鎊，巴貝奇本人也花費了1.3萬英鎊。巴貝奇周圍的人慢慢變得悲觀失望，幾乎所有的人都不再關心他的工作。到了1832年，事實上只有巴貝奇一個人還癡心於那臺未完工的差分機。

　　巴貝奇孤軍奮戰，終於在1833年製成了機器的一小部分。開機計算後，其工作的準確性達到了計劃的要求。這使得巴貝奇大爲振奮，他重又樹立起信心，期望政府能繼續給予經濟上的支持。然而政府的態度始終是消極的。到1842年，政府明確表示不可能再給予他資助了。

　　巴貝奇苦心經營的能執行計算程序、能完成操作要求的差分機就這樣中途夭折了，他含辛茹苦孕育的這個“嬰兒”雖然呱呱落地了，但卻未能長大成人。今天，我們在倫敦皇家學院博物院裏，還能見到巴貝奇的設計圖紙和未完成的差分機；而在劍橋，我們則能見到利用差分機的一部分製成的表演模型。

　　關於解析機的天才構思

　　巴貝奇在研製差分機的工作中，看到了製造一種新的、在性能上大大超過差分機的計算機的可能性。他把這個未來的機器稱爲解析機。

　　1834年9月，巴貝奇畫出瞭解析機的第一張設計圖。他在第二年寫給布魯塞爾科學院的信裏，談到了解析機的能力。也說：“我本人都爲這臺機器的威力吃驚，一年前我還不相信能有這樣的結果。這臺機器可以處理100個變量，每個數可以有25位數字。假定有一個函數f（v1,v2……vn），且n小於 100，f由加、減、乘、除、開方和乘方組成，則這臺機器可以決定這一函數的數值。……藉助於這臺機器，差不多所有有限差分的公式都能轉換成表格。”

　　從1842年到1848年，巴貝奇專心於解析機的設計工作。他深入地研究了它的理論基礎，並且設計了它的主要組成部分。巴貝奇認爲他的解析機每分鐘可作60次加減法，每分鐘能完成兩個50位數乘法。解析機由3個主要部分組成：（l）將數字信息保存在齒輪寄存器中的裝置；（2）可對從堆棧中取出的數進行各種運算的裝置；（3）控制着操作程序，選擇被處理數據和輸出結果的裝置。

　　巴貝奇計劃寄存器由齒輪組成，由於機器的效率在很大程度上取決於保存在存儲器中的信息容量，所以寄存器的容量應儘可能大。巴貝奇設計的寄存器有100列，每列50個數字輪，也即有100個數，每個數長度爲50個十進位，這相當於1．5萬個二進位數。此外，機器應當包括對數表和其他表格。對於運算器，巴貝奇爲加速運算採用了專門的預先進位結構。這是解析機中最重要的部分之一，巴貝奇曾提出過30多種設計方案。在控制器方面，巴貝奇巧妙地採用了穿孔卡片的方法。法國紡織機械工人、發明家雅克爾爲織布機織出複雜花紋的布匹而使用了各種形式的卡片，靠着一個接着一個的大量卡片，可以織出複雜的花紋；但卡片的需要量是巨大的，例如要織成雙頭鷹的旗子需1．4萬張卡片。巴貝奇有一次在巴黎參觀時，看到了雅克爾發明的用穿孔卡片控制編織提花地毯的機器，閃現了把穿孔卡片移植到控制器上的靈感。

　　巴貝奇竭盡全力研製他的解析機，自己花錢請工程師、繪圖員和工人到他家裏來工作。爲了集中精力，他毅然辭去了劍橋大學數學教授的職務，這使他財力日趨減少。在經濟拮据的窘境中，他堅持不懈地工作着，完成了2000多張詳細的1:1的機器及單個部件的圖紙，圖紙上繪製有5萬餘個零件，對於機器的個別部分都寫有數百條的意見。

　　巴貝奇竭力謀求社會對其新發明的支持，然而支持他的人卻寥寥無幾。最後支持他的，除了他的兒子外，還有兩位頗具傳奇色彩的人物，一位是蜚聲歐洲的英國革命浪漫主義詩人拜倫的獨生女拉甫雷斯伯爵夫人；另一位是意大利富有才能的數學家閔那布利。他倆1840年在意大利的都靈都聽過巴貝奇的演講，後來兩人都熱忱地撰寫論文介紹過巴貝奇的創新思想。閔那布利以後參加了意大利的解放戰爭，對統一意大利起了重要作用，1867年當選爲統一後的意大利總理。由於這兩位顯赫人物的支持，巴貝奇父子的事業得以苟延殘喘，巴貝奇寫出了世界上第一部關於計算機程序的專著。然而，他們最終也未能造出一臺可供實用的解析機來。

　　超越時代的偉人

　　儘管成功總是在巴貝奇的身邊擦肩而過，但在計算機的發展史上，巴貝奇寫下了光輝的一頁。他的奇思遐想和聰明才智超過了與他同時代的其他人，他是第一位將計算機的存貯功能與運算功能從機構上分隔開來的人，他的設計思想爲現代電子計算機的結構設計奠定了基礎。衆所周知，現代電子計算機的中心結構部分恰好包括了巴貝奇提出的解析機的3個部分，可以這樣說，巴貝奇的解析機是現代電子計算機的雛型。

　　巴貝奇的兒子這樣評價他父親未竟的事業：“我完全相信，總有這樣一天，類似的機器將會製成，而且不僅在純數學領域中，還將在其他知識領域中成爲強有力的工具。我希望不要太久，這個時刻就會到來，它將有助於對我父親的工作作出總的評價。這項工作現在即使在有文化的人中間也很少有人知道和理解。”

　　這一預言很快就應驗了。十幾年以後，人們終於研製出實用的穿孔卡片式程控計算機，並於1890年首次用於美國的人口和職業普查。原先有人估計，大約需要IO年時間才能完成這項浩如煙海的統計資料分析彙總工作。然而應用穿孔卡片計算機後，這項艱鉅的工作在一年內就宣告完成了。即便在今天，在現代電子計算機輸入輸出的附加設備裏，仍然廣泛應用着穿孔卡片系統。巴貝奇試圖在解析機上解決問題所表現出的思想的深刻性，以及其在計算機制造設計方面的領先性，令後人驚歎叫絕！

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