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蒸汽动力的纯机械计算机

  forcode:巴贝奇这个人真是天才啊!文学硕士,居然对数学和机械的理解如此深刻。而且,他这个设想的机,居然用机械方式实现存储器和,还能读取和输出数据,已经很接近冯诺依曼通用计算机原理了……

  可以说,欧美国家的强大,就在于他们过去几百年间,诞生了大量如此天才的科技巨匠。这机比汽车飞机的机械结构复杂太多倍了。

  如果人类始终没有发展出电力电子技术,一直往纯机械和纳米技术的方向发展,迟早也会发展出通用计算设备的……

  齿轮如何存储数据,这个还是难以想象的……不过想想保险柜的锁,可能也是纯齿轮的……

  要成为通用计算机,就必须软硬件相分离,而不是软件固化在齿轮机构当中了。这个机,就是现代电子计算机的鼻祖了。计算机史博物馆就有差分机的仿制品,根据当年的图纸制作出来的,当年设计这个机器的时代,无法加工出精度那么高的齿轮。

  /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为差分运算,用简单的加法代替平方运算。1812年,20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感,差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年光阴,于1822年完成了第一台差分机,它可以处理3个不同的5位数,计算精度达到6位小数,当即就演算出好几种函数表。由于当时工业技术水平极低,第一台差分机从设计绘图到机械零件加工,都是巴贝奇亲自动手完成。成功的喜悦激励着巴贝奇,他连夜奋笔皇家学会,要求资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机。然而,第二台差分机在机械制造过程中,因为主要零件的误差达不到每英寸千分之一的高精确度,以失败告终,但他把全部设计图纸和已完成的部分零件送进伦敦皇家学院博物馆供人观赏。

  1834年,巴贝奇就已经提出了一项新的更大胆的设计。他最后冲刺的目标,不是仅仅能够制表的差分机,而是一种通用的数学计算机。巴贝奇把这种新的设计叫“机”,它能够自动解算有100个变量的复杂算题,每个数可达25位,速度可达每秒钟运算一次。

  这台机器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。巴贝奇的机大体上有三大部分:其一是齿轮式的存贮库,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。机的第二个部件是所谓运算室,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。第三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。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。

  他耗尽了可以制造两架军舰、22台蒸汽火车头的经费,外加银行家父亲留下的全部身家,穷极一生也没能制造出任何一台他所描述的机器。然而,那些超前了至少一个世纪的设想,被誉为现代计算机的,代表了机械智能的最高水平,他也被称为计算机之父。

  巴贝奇被称作是计算机之父,话说计算机的爹还真多,图灵也是,冯诺依曼也是,还有阿塔那索夫——因为他发明了史上第一台大型机械计算机,还是能编程的。

  巴贝奇出生于200多年前的维多利亚时代,他家境富裕,跟大部分好奇的小男孩一样,从小有任何事情都要寻根究底的习惯,拿到玩具也会拆开来看看里面的构造。

  他自小就显示出极高的数学天赋,自学了很多当代的数学知识。1815年巴贝奇就已经在英国皇家学会里做天文学了,1816年他当选为英国皇家学会院士,从此专门从事各种科学研究。

  虽然他总没日没夜地搞科研,但在那个时代生娃的时间还是太多,所以他一直携家带口、尴尬地接受着亲爹的资助。直到1827年老巴贝奇去世,这位成了家却一直立不了业的发明家还是没正经工作,同年他妻子也去世了,手头有一大笔遗产可以分配——

  巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感,认为机械能够代替人的思维,按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。

  关于巴贝奇研制计算机的起因,巴贝奇的自传《一个哲学家的生命历程》里,写到约莫是1812年的一天晚上,他在剑桥大学的学会办公室里,地低头看着面前一张对数表。一位会员走进屋来打趣地问他了什么,他回答正在考虑那些对数表也许能用机器来计算。。。

  还有一个流传较广的说法是,18世纪末,法国发起了一项宏大而艰巨的计算工程──人工编制《数学用表》,由于没有先进计算工具,法国数学界调集大批精兵强将,组成了人工手算的流水线,算了个天昏地暗,终于完成了17卷大部头书稿。有一天,巴贝奇与著名的天文学家赫舍尔一起,边看书稿中的天文数表边吐槽,发现居然错误百出,巴贝奇目噔口呆地喊道“天哪,但愿知道,这些计算错误已经弥漫了整个!”。。。。于是他决心要发明一个计算机器来。

  所谓差分,就是把函数表的复杂算式为差分运算,用简单的加法代替平方运算。

  由于当时工业技术水平极低,差分机从设计绘图到机械零件加工,都是巴贝奇亲自动手完成的,但主要零件的误差始终达不到每英寸千分之一的高精确度,大量精密零件制造非常困难。

  1834年,还胶着于差分机的研发时,巴贝奇就有了一个更大胆的构思。他不满足于仅仅能够制表的差分机,而是想做一种通用的数学计算机。巴贝奇把这种新的设计叫机(Analysis Engine),设想它将由蒸汽机为动力,驱动大量的齿轮机构运转,这台机器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。

  然而英国在1842年做了一次清算,发现整个计划一共赔掉了17500英镑——差不多相当于22台蒸汽机车,或者2艘战舰。当巴贝奇又皇家学会,要求资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机时,英国表示:您省省吧,我们再不会上当了。。。

  在机之后,在1847~49 年间巴贝奇运用在过程中得到的,重新设计了差分机2,它可以计算到31位数及第7阶差,而且零件数还只有差分机1的1/3。可惜的是,这时候巴贝奇已经找不到愿意出资的人了,因此差分机2也只停留在了纸面上。

  ========200年后的分割线年时,伦敦科学博物馆决定照着巴贝奇的图纸,打造一整的差分机2,纪念巴贝奇诞辰200周年,也给他正名。2002年最终完工的这台巨大的手摇智能机械计算机,长3.35米,高2.13米,有4000多个零件,重2.5。

  美国的计算机历史博物馆也有一台差分机2。它和伦敦那个的型略有不同,是根据巴贝奇稍早的一个设计方案制作的,属于技术控型千万富翁Nathan Myhrvold个人所有。

  巴贝奇的最小的儿子亨利·巴贝奇曾想继承父亲的遗志,花了相当长的时间,试图让差分机和机的设想成线年他完成了机没有程序化能力的一部份计算单元,现陈列于伦敦计算机博物馆。而博物馆已经在考虑按图纸制作一台机的可行性了。。。

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