《白云书园》之数字时代(三五)

计算机前世篇[机械机算机 — 分析机 ]

虽然差分机最终还是没建成,但在设计制造差分机的十年过程中,巴贝奇在不断地改进设计的重复劳动中意识到他没必要把自己圈在差分机这个计算多项式的范围内。

退一步,海阔天空。他发现他其实可以建造个有更广泛用途的计算机器,他把它命名为分析机(Analytical Engine)。设计和尝试建造这个充满传奇色彩的机器成了他整个下半生的梦想。这个分析机的设计理念比差分机更超前,向未来穿越了大概一个世纪。

从1834年开始,巴贝奇就开始一直追他建造分析机的梦想。到了1836年间,他完成了第一个雏形设计,一年后他又从头推倒,再来设计了一次。[1]

巴贝奇设计中的分析机是由蒸汽机驱动,机器大约有15英尺高,25英尺长,几乎是一个小火车头。

  • 它的“内存”是由齿轮组成的,齿轮位置记录数字。它们大约可以存储1000个40位的十进制数(约16.7 KB)。
  • 机器有一个算术单元,就是现在说的CPU,用来进行四则运算、比较和求平方根操作。运算的基本原理与帕斯卡的转轮相似,但他改进了进位装置,使得40位数加40位数的运算可完成于一次转轮之中。它做一次20位乘40位的运算只需两分钟。虽然这个速度与现代电子计算机根本不可比,但当时已经是很惊人的了。
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分析机内部计算部分的设计图

  • 分析机还有自己使用的编程语言,它类似于现代的汇编语言。这个语言支持循环和条件分支,按现在的名词来讲它是图灵完背的。
  • 分析机用三种不同类型的打孔卡片进行输入。(还记得前面专门提到打孔卡片吧!)第一种用于算术运算,第二种用于记录数字常数,而第三种用于加载和存储操作,和在存储单元到算术单元之间来传递数字。这三个类型的卡是相互独立的。
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分析机读打孔卡部分的设计图

这不就是不用电的计算机吗?一个多世纪过去后,现代电脑的结构几乎就是巴贝奇分析机的翻版,只不过是主要部件换成了集成电路而已。

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巴贝奇在1840年时对分析机的整体设计

所以说如果有人是现代计算机之父,巴贝奇当之无愧。

在有了基本设计想法后,巴贝奇又去和政府申请钱,而且是要更多的钱,可以建一艘军舰的钱。经过了上次差分机的烧钱经历后,这次政府中没人再愿意出力来支持他了。

要是一般人也就算了,把丰满的理想交给骨感的现实了。可巴贝奇有钱啊,有钱就有资格任性。不给funding,咱自己干呗。从1837年后的12年间,巴贝奇就开始一直追他建造分析机的梦想。他在1849年放下这个项目,然后在他65岁的1856年又重新开始花时间在分析机上,直到他79岁去世。[2]

在这些年里,他常年雇用一两个工匠和他一起画图纸和设计建造各部分的模型。他们一起写下了六七千页笔记,三百多幅机械图纸和六七百演示图例。

最终巴贝奇也意识到自己的有生之年可能无法看到建成分析机的时刻了。他开始试图建成分析机的一小部分。1860时,他建成分析机的计算单元,这也是他唯一建成的部分。

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巴贝奇建成的分析机的一部分

分析机的梦想随着1871年巴贝奇的去世渐渐黯淡下去。他儿子 Henry 为了父亲的梦想继续在分析机上工作了几年,在1889年建成了分析机的一部分。但然后因为没有资助也就没有然后了。建造计算机的梦想也就又沉寂了几十年,直到后来电子计算机的出现。

哎,英雄就是这个样子的。悲情英雄,壮志未酬![3]

然而,在计算机之父巴贝奇和分析机的故事中,还出现了另一个计算机上的传奇历史角色:史上第一程序员,而且是女神中的女神。


[1]在1837年,巴贝奇在他的文章 “Of the Mathematical Powers of the Calculating Engine” 中第一次描述了分析机。

[2]更多的关于分析机的信息:

http://history-computer.com/Babbage/AnalyticalEngine.html

http://www.computerhistory.org/babbage/engines/

https://www.fourmilab.ch/babbage/sketch.html

[3]巴贝奇的朋友,剑桥大学数学家约翰·弗莱彻·莫尔顿,在巴贝奇去世前几年去看望过他。莫尔顿回忆道:

In he first room I saw the parts of the original Calculating Machine, which had been shown in an incomplete state many years before and had even been put to some use. I asked him about its present form. “I have not finished it because in working at it I came on the idea of my Analytical Engine, which would do all that it was capable of doing and much more. Indeed the idea was so much simpler that it would have taken more work to complete the calculating machine than to design and construct the other in its entirety, so I turned my attention to the Analytical Machine.” After a few minutes’ talk we went into the next workroom where he showed and explained to me the working of the elements of the Analytical Machine. I asked if I could see it. “I have never completed it,” he said,” because I hit upon the idea of doing the same thing by a different and far more effective method, and this rendered it useless to proceed on the old lines.” Then we went into the third room. There lay scattered bit s of mechanism but I saw no trace of any working machine. Very cautiously I approached the subject, and received the dreaded answer,” It is not constructed yet, but I am working at it, and will take less time to construct it altogether than it would have taken to complete the Analytical Machine from the stage in which I left it.” I took leave of the old man with a heavy heart.

[*] 原文同时发布在: 《白云书园》之数字时代(三五) http://wp.me/p5Da4b-5V

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火光摇曳

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