巴比吉：現代計算機真正的鼻祖
2021-04-17 11:15 作者：林彬 來源：荷蘭代爾夫特理工大學 閱覽：
巴比吉（C. Babbage）是計算機發展史上的偉大先驅者之一，特別是他最早將機械演算機和順序控制機結合在一起，開創了設計現代計算機的新起點；另外，他最早提出了組成計算機的五大功能部件，他的這一天才設想在現代電子計算機的組成上得到了光輝的驗證。巴比吉還是偉大的數學家和興趣廣泛的發明家以及科學管理的探路者。
巴比吉，1791年出生在英格蘭西南部的托特納斯，是一位富有的銀行家的兒子，後來繼承了相當豐厚的遺產，但他把金錢都用於了科學研究。童年時代的巴比吉顯示出極高的數學天賦，考入劍橋大學後，他發現自己掌握的數學知識甚至超過了教師。1828年至1839年，巴比吉在劍橋大學擔任盧卡斯數學教授席位；這是一個很少有人能夠獲得的殊榮，牛頓的老師巴羅是第一名，牛頓是第二名。假若巴比吉繼續在數學理論領域耕耘，他本來是可以走上鮮花鋪就的坦途。然而，這位曠世奇才卻選擇了一條無人敢于攀登的崎嶇險路──研製計算器。
巴比吉的第一個目標是製作一臺「差分機」，那年他剛滿20歲。所謂「差分」的含義，是把函數表的複雜算式轉化為差分運算，用簡單的加法代替平方運算，快速編制不同函數的數學用表。他從法國機械師傑卡德發明的提花織布機上獲得了靈感，差分機設計閃爍出了程式控制的靈光──它能夠按照設計者的旨意，自動處理不同函數的計算過程。1822年，巴比吉小試鋒芒，初戰告捷，第一臺差分機呱呱墜地。但是，這一「小試」也耗去了整整10年。這是因為當時的工業技術水準極差，從設計繪圖到零件加工，都得自己親自動手。好在巴比吉自小就酷愛並熟悉機械加工，車鉗刨銑磨，樣樣拿手。在他孤軍奮戰下造出的這臺機器，運算精度達到了6位小數，當即就演算出好幾種函數表。以後實際運用證明，這種機器非常適合於編制航海和天文方面的數學用表。成功的喜悅激勵著巴比吉，他連夜奮筆上書英國皇家學會，要求政府資助他建造第二臺運算精度為20位的大型差分機。
英國政府看到巴比吉的研究有利可圖，破天荒地與巴比吉簽訂了第一個合同，財政部慷慨地為這臺大型差分機提供了1.7萬英鎊的資助。巴比吉自己也貼進去1.3萬英鎊巨款，用以彌補研製經費的不足。在當年，這筆款項的數額無異於天文數字──有關資料介紹說，1831年約翰•布爾製造一臺蒸汽機車的費用才784英磅。然而，英國政府和巴比吉都失了算，第二臺差分機在劍橋的「陰溝」裡面翻了船！我們可以設身處地替巴比吉想一想，第二臺差分機大約有25000個零件，主要零件的誤差不得超過每英寸千分之一，即使用現在的加工設備和技術，要想造出這種高精度的機械也絕非易事。巴比吉把差分機交給了英國著名的機械工程師約瑟夫•克萊門特所屬的工廠製造，但工程進度十分緩慢。設計師心急火燎，從劍橋到工廠，從工廠到劍橋，一天幾個來回。他把圖紙改了又改，讓工人把零件重做一遍又一遍。
年復一年，日復一日，直到又一個10年過去後，巴比吉依然望著那些不能運轉的機器發愁，全部零件亦只完成不足一半數量。參加試驗的同事們再也堅持不下去，紛紛離他而去如鳥獸散。巴比吉獨自苦苦支撐了第三個10年，終於感到自己再也無力回天。那天清晨，巴比吉蹣跚走進車間。偌大的作業場空無一人，只剩下滿地的滑車和齒輪，四處一片狼籍。他呆立在尚未完工的機器旁，深深地嘆了口氣，終於「愴然而涕下」。在痛苦的煎熬中，他無計可施，只得把全部設計圖紙和已完成的部分零件送進倫敦科學博物館供人觀賞。
就在這痛苦艱難的時刻，一縷春風悄然吹開巴比吉苦悶的心扉。他意外地收到一封來信，寫信人不僅對他表示理解而且還希望與他共同工作。娟秀字體的簽名，表明瞭她不凡的身份──伯爵夫人；夫人本名叫阿達•奧古斯塔，是英國大名鼎鼎的詩人拜倫的獨生女。阿達比巴比吉的年齡要小20多歲，1815年才出生；她自小命運多蹇，來到人世的第二年，父親拜倫因性格不合與她的母親離異，從此別離英國。可能是從未得到過父愛的緣由，小阿達沒有繼承到父親詩一般的浪漫熱情，卻繼承了母親的數學才能和毅力。那還是阿達的少女時代，母親的一位朋友領著她們去參觀巴比吉的差分機。其他孩子圍著差分機嘰嘰喳喳亂髮議論，摸頭不是腦。只有阿達看得非常仔細，她十分理解並且深知巴比吉這項發明的重大意義。在阿達27歲時，她成為巴比吉科學研究上的合作夥伴，迷上這項常人不可理喻的「怪誕」研究。
30年的困難和挫折並沒有使巴比吉折服，阿達的友情援助更堅定了他的決心。還在大型差分機進軍受挫的1834年，巴比吉就已經提出了一項新的更大膽的設計。他最後衝刺的目標，不是僅僅能夠製表的差分機，而是一種通用的數字計算機。巴比吉把這種新的設計叫做「分析機」（現代電子計算機的前身），它能夠自動解算有100個變量的複雜算題，每個數可達25位，速度可達每秒鐘運算一次。巴比吉首先為分析機構思了一種齒輪式的「存貯庫」，每一齒輪可貯存10個數，總共能夠儲存1000個50位數。分析機的第二個部件是所謂「運算室」，其基本原理與帕斯卡的轉輪相似，但他改進了進位裝置，使得50位數加50位數的運算可完成於一次轉輪之中。此外，巴比吉也構思了送入和取出數據的機構、以及在「存儲庫」和「運算室」之間運輸數據的部件。他甚至還考慮到如何使這臺機器處理依條件轉移的動作。今天我們再回首看看巴比吉的設計，分析機的思想仍然閃爍著天才的光芒。
一個多世紀過去後，現代電子計算機的結構幾乎就是巴比吉分析機的翻版，只不過它的主要部件被換成了大規模積體電路而已。僅此一說，巴比吉就當之無愧于計算機系統設計的「開山鼻祖」。在分析機設計中，巴比吉曾設想根據儲存數據的穿孔卡上的指令進行任何數學運算的可能性，並設想了現代計算機所具有的大多數其他特性，但因1842年英國政府拒絕進一步支持他的工作，巴比吉的這一計算器未能完成。瑞典斯德哥爾摩的舒茨公司按他的設計於1855年製造了一臺計算器，而世界上第一臺真正意義上的計算機ENIAC到電子時代才在美國製成。
1871年，為計算機事業而貢獻了終生的先驅者──巴比吉帶著無比的遺憾，孤獨地離開了人世。當時就有人把他的大腦用鹽漬著保存起來，想經過若干年後，有更先進技術來研究他大腦特別的機制；現在的人們，當然更不會以成敗來論英雄！巴比吉在24歲時就被選為英國皇家學會會員；他參與創建了英國天文學會和統計學會，並且是天文學會金質獎章獲得者；他還是巴黎倫理科學院、愛爾蘭皇家學會和美國科學院的成員。在英國，巴比吉已成為一種文化符號和民族驕傲；月球上，就有用來紀念他的巴比吉環形山。
今年是巴比吉誕辰二百三十週年和逝世一百五十週年，他是現代計算機真正的鼻祖，他的業績永遠激勵著人們不斷向前。正如中國著名學者周海中教授在《計算機的先驅者──紀念巴比吉誕辰二百週年》一文中曾經所說的那樣：巴比吉的業績是永存的，它鼓勵著後來的人們沿著前人的足跡去攀登，為開創更光輝的業績作出更大的努力。
文/林彬(作者單位：荷蘭代爾夫特理工大學應用科學學院)
巴比吉，1791年出生在英格蘭西南部的托特納斯，是一位富有的銀行家的兒子，後來繼承了相當豐厚的遺產，但他把金錢都用於了科學研究。童年時代的巴比吉顯示出極高的數學天賦，考入劍橋大學後，他發現自己掌握的數學知識甚至超過了教師。1828年至1839年，巴比吉在劍橋大學擔任盧卡斯數學教授席位；這是一個很少有人能夠獲得的殊榮，牛頓的老師巴羅是第一名，牛頓是第二名。假若巴比吉繼續在數學理論領域耕耘，他本來是可以走上鮮花鋪就的坦途。然而，這位曠世奇才卻選擇了一條無人敢于攀登的崎嶇險路──研製計算器。
巴比吉的第一個目標是製作一臺「差分機」，那年他剛滿20歲。所謂「差分」的含義，是把函數表的複雜算式轉化為差分運算，用簡單的加法代替平方運算，快速編制不同函數的數學用表。他從法國機械師傑卡德發明的提花織布機上獲得了靈感，差分機設計閃爍出了程式控制的靈光──它能夠按照設計者的旨意，自動處理不同函數的計算過程。1822年，巴比吉小試鋒芒，初戰告捷，第一臺差分機呱呱墜地。但是，這一「小試」也耗去了整整10年。這是因為當時的工業技術水準極差，從設計繪圖到零件加工，都得自己親自動手。好在巴比吉自小就酷愛並熟悉機械加工，車鉗刨銑磨，樣樣拿手。在他孤軍奮戰下造出的這臺機器，運算精度達到了6位小數，當即就演算出好幾種函數表。以後實際運用證明，這種機器非常適合於編制航海和天文方面的數學用表。成功的喜悅激勵著巴比吉，他連夜奮筆上書英國皇家學會，要求政府資助他建造第二臺運算精度為20位的大型差分機。
英國政府看到巴比吉的研究有利可圖，破天荒地與巴比吉簽訂了第一個合同，財政部慷慨地為這臺大型差分機提供了1.7萬英鎊的資助。巴比吉自己也貼進去1.3萬英鎊巨款，用以彌補研製經費的不足。在當年，這筆款項的數額無異於天文數字──有關資料介紹說，1831年約翰•布爾製造一臺蒸汽機車的費用才784英磅。然而，英國政府和巴比吉都失了算，第二臺差分機在劍橋的「陰溝」裡面翻了船！我們可以設身處地替巴比吉想一想，第二臺差分機大約有25000個零件，主要零件的誤差不得超過每英寸千分之一，即使用現在的加工設備和技術，要想造出這種高精度的機械也絕非易事。巴比吉把差分機交給了英國著名的機械工程師約瑟夫•克萊門特所屬的工廠製造，但工程進度十分緩慢。設計師心急火燎，從劍橋到工廠，從工廠到劍橋，一天幾個來回。他把圖紙改了又改，讓工人把零件重做一遍又一遍。
年復一年，日復一日，直到又一個10年過去後，巴比吉依然望著那些不能運轉的機器發愁，全部零件亦只完成不足一半數量。參加試驗的同事們再也堅持不下去，紛紛離他而去如鳥獸散。巴比吉獨自苦苦支撐了第三個10年，終於感到自己再也無力回天。那天清晨，巴比吉蹣跚走進車間。偌大的作業場空無一人，只剩下滿地的滑車和齒輪，四處一片狼籍。他呆立在尚未完工的機器旁，深深地嘆了口氣，終於「愴然而涕下」。在痛苦的煎熬中，他無計可施，只得把全部設計圖紙和已完成的部分零件送進倫敦科學博物館供人觀賞。
就在這痛苦艱難的時刻，一縷春風悄然吹開巴比吉苦悶的心扉。他意外地收到一封來信，寫信人不僅對他表示理解而且還希望與他共同工作。娟秀字體的簽名，表明瞭她不凡的身份──伯爵夫人；夫人本名叫阿達•奧古斯塔，是英國大名鼎鼎的詩人拜倫的獨生女。阿達比巴比吉的年齡要小20多歲，1815年才出生；她自小命運多蹇，來到人世的第二年，父親拜倫因性格不合與她的母親離異，從此別離英國。可能是從未得到過父愛的緣由，小阿達沒有繼承到父親詩一般的浪漫熱情，卻繼承了母親的數學才能和毅力。那還是阿達的少女時代，母親的一位朋友領著她們去參觀巴比吉的差分機。其他孩子圍著差分機嘰嘰喳喳亂髮議論，摸頭不是腦。只有阿達看得非常仔細，她十分理解並且深知巴比吉這項發明的重大意義。在阿達27歲時，她成為巴比吉科學研究上的合作夥伴，迷上這項常人不可理喻的「怪誕」研究。
30年的困難和挫折並沒有使巴比吉折服，阿達的友情援助更堅定了他的決心。還在大型差分機進軍受挫的1834年，巴比吉就已經提出了一項新的更大膽的設計。他最後衝刺的目標，不是僅僅能夠製表的差分機，而是一種通用的數字計算機。巴比吉把這種新的設計叫做「分析機」（現代電子計算機的前身），它能夠自動解算有100個變量的複雜算題，每個數可達25位，速度可達每秒鐘運算一次。巴比吉首先為分析機構思了一種齒輪式的「存貯庫」，每一齒輪可貯存10個數，總共能夠儲存1000個50位數。分析機的第二個部件是所謂「運算室」，其基本原理與帕斯卡的轉輪相似，但他改進了進位裝置，使得50位數加50位數的運算可完成於一次轉輪之中。此外，巴比吉也構思了送入和取出數據的機構、以及在「存儲庫」和「運算室」之間運輸數據的部件。他甚至還考慮到如何使這臺機器處理依條件轉移的動作。今天我們再回首看看巴比吉的設計，分析機的思想仍然閃爍著天才的光芒。
一個多世紀過去後，現代電子計算機的結構幾乎就是巴比吉分析機的翻版，只不過它的主要部件被換成了大規模積體電路而已。僅此一說，巴比吉就當之無愧于計算機系統設計的「開山鼻祖」。在分析機設計中，巴比吉曾設想根據儲存數據的穿孔卡上的指令進行任何數學運算的可能性，並設想了現代計算機所具有的大多數其他特性，但因1842年英國政府拒絕進一步支持他的工作，巴比吉的這一計算器未能完成。瑞典斯德哥爾摩的舒茨公司按他的設計於1855年製造了一臺計算器，而世界上第一臺真正意義上的計算機ENIAC到電子時代才在美國製成。
1871年，為計算機事業而貢獻了終生的先驅者──巴比吉帶著無比的遺憾，孤獨地離開了人世。當時就有人把他的大腦用鹽漬著保存起來，想經過若干年後，有更先進技術來研究他大腦特別的機制；現在的人們，當然更不會以成敗來論英雄！巴比吉在24歲時就被選為英國皇家學會會員；他參與創建了英國天文學會和統計學會，並且是天文學會金質獎章獲得者；他還是巴黎倫理科學院、愛爾蘭皇家學會和美國科學院的成員。在英國，巴比吉已成為一種文化符號和民族驕傲；月球上，就有用來紀念他的巴比吉環形山。
今年是巴比吉誕辰二百三十週年和逝世一百五十週年，他是現代計算機真正的鼻祖，他的業績永遠激勵著人們不斷向前。正如中國著名學者周海中教授在《計算機的先驅者──紀念巴比吉誕辰二百週年》一文中曾經所說的那樣：巴比吉的業績是永存的，它鼓勵著後來的人們沿著前人的足跡去攀登，為開創更光輝的業績作出更大的努力。
文/林彬(作者單位：荷蘭代爾夫特理工大學應用科學學院)
