2022-08-14  2022-09-01    4138 字  9 分钟

i.e. Early Computing

Hello world!我是 Carrie Anne,欢迎收看计算机科学速成课(Crash Course Computer Science)!

在这个系列中,我们会学习 Bits(位),Bytes(字节),晶体管(transistors),逻辑门(logic gates),一直到操作系统,虚拟现实和机器人!我们要学很多东西,但预先说明,我们 不会 教你怎么编程,我们会从高层次上纵览一系列计算机话题。

计算机是当今世界的命脉,如果突然关掉所有的计算机,电网会关闭,车辆会相撞,飞机会坠毁,净水厂会关闭,证券市场会停止运作,装满食物的卡车不知运往何方,员工得不到薪水,甚至很多和计算机无关的东西,例如 DFTBA 的 T 恤和我现在坐的椅子也都是在计算机管理的工厂中制造的。

计算机改变了我们生活中几乎所有方面。

我们也不是第一次遇到推动全球发展的科技了。

工业革命(Industrial Revolution)中生产能力的提高,大幅提升了农业,工业,畜牧业的规模。机械化导致更好的收成,更多的食物,商品可以大批量生产。旅行和通讯变得更便宜更快,生活质量变得更好。

计算机和工业革命有一样的影响。

从自动化农业和医疗设备到全球通信和教育机会,还有虚拟现实和无人驾驶汽车等新领域,现在这个时代很可能会被后人总结成 “信息时代”。

你的智能手机中有数十亿个晶体管,看起来好像很复杂,但实际上它是很简单的机器,通过一层层的抽象(abstraction)来做出复杂操作。

在这个系列中,我们会一层层讲解,从最底层的 1 和 0,到逻辑门,CPU,操作系统,整个互联网,以及更多~~

不用担心,正如在网上买 T 恤的人不用知道网站代码是怎么写的,设计师不用知道数据包(packets)是怎么传输的,设计路由器的工程师不用理解晶体管的逻辑。

本系列中每个视频会接着上集继续讲,但并不依赖前面的视频。等这个系列结束后,希望你能了解计算机在你的人生以及社会中扮演什么角色,以及这个人类史上最伟大的发明(可以这样说啦)是怎么开始的。

它对未来还会有更大的影响。

但深入之前,我们应该从计算的起源讲起,虽然电子计算机才出现不久,但人类对计算的需求早就有了。

公认最早的计算设备是算盘(abacus),发明于"美索不达米亚",大约公元前 2500 年。它是手动计算器,用来帮助加减数字,它存储着当前的计算状态,类似于如今的硬盘。人们制造算盘,是因为社会的规模已经超出个人心算的能力。一个村庄可能有上千个人和上万头牛。

算盘有很多变种,但我们来看一个基础版,每行代表 10 的不同次方。最底下那行,一个珠子代表 10 的 0 次方,也就是 1,再上面一行是 10 的 1 次方(也就是 10),再上面一行是 10 的 2 次方 (以此类推)……

假设最底部的 3 颗珠子,代表 3 头牛。假设再买 4 头牛,只需要向右移动 4 颗珠子,共 7 个珠子。但如果再买 5 头,珠子就不够用了,所以把所有珠子移回左边。在第二排把 1 颗珠子向右移动,代表 10,然后最底下那行,向右移动 2 颗珠子,代表 12。

这种方法处理大数字很有效。假设要表示 1251,从下往上:第一行移 1 个,第二行移 5 个,第三行移 2 个,第四行移 1 个。

我们不用记在脑子里,算盘会记住。

在接下来 4000 年,人类发明了各种巧妙的计算设备。比如星盘,让船只可以在海上计算纬度,或计算尺,帮助计算乘法和除法。人们还创造了上百种时钟,算日出,潮汐,天体的位置,或纯粹拿来计时。这些设备让原先很费力的事变得更快,更简单,更精确,降低了门槛,加强了我们的能力。

记笔记!(敲黑板)这个系列会多次提到这一点。

计算机先驱 Charles Babbage 说过:“随着知识的增长和新工具的诞生,人工劳力会越来越少”。

然而,这些设备那时都不叫"计算机"。最早使用 “计算机” 一词的文献来自 1613 年的一本书,作者 Richard Braithwait。然而指的不是机器,而是一种职业。

Braithwait 说:“我听说过的计算者里最厉害的,能把好几天的工作量大大缩减。”

那时,“Computer” 指负责计算的人。“Computer” 偶尔会用机器帮忙,但大部分时候靠自己。这个职位一直到 1800 年代还存在,之后 “Computer” 逐渐开始代表机器。

其中"步进计算器"(Step Reckoner)最有名,由德国博学家戈特弗里德·莱布尼茨建造于 1694 年。

莱布尼茨说过 “… 让优秀的人浪费时间算数简直侮辱尊严,农民用机器能算得一样准。”

“步进计算器"有点像汽车里的里程表,不断累加里程数。它有一连串可以转动的齿轮(gears),每当一个齿轮转过 9,它会转回 0,同时让旁边的齿轮前进 1 个齿,就像算盘超过 10 一样。做减法时,机器会反向运作。利用一些巧妙的机械结构,步进计算器也能做乘法和除法。

乘法和除法实际上只是多个加法和减法。举例,17 除以 5,我们只要减 5,减 5,再减 5,直到不能再减 5,就知道了 17=5x3+2 。步进计算器可以自动完成这种操作,它是第一台能做"加减乘除"全部四种运算的机器。它的设计非常成功,以至于沿用了 3 个世纪。

不幸的是,即使有机械计算器,许多现实问题依然需要很多步,算一个结果可能要几小时甚至几天,而且这些手工制作的机器非常昂贵,大部分人买不起。所以在 20 世纪以前,大部分人会用预先算好的计算表,这些计算表由之前说的 “人力计算器” 编撰。如果你想知道 867,5309 的平方根,与其花一整天来手摇 “步进计算器”,你可以花一分钟在表里找答案。

速度和准确性(Speed and accuracy)在战场上尤为重要,因此军队很早就开始用计算解决复杂问题。如何精确瞄准炮弹是一个很难的问题。19 世纪,这些炮弹的射程可以达到 1 公里以上(比半英里多一点),因为风力,温度,大气压力会不断变化,想打中船一样大的物体也非常困难。于是出现了射程表(Range Tables),炮手可以查环境条件和射击距离,然后这张表会告诉他们,角度要设成多少。这些射程表很管用,二战中被广泛应用。问题是如果改了大炮或炮弹的设计,就要算一张新表,这样很耗时而且会出错。

Charles Babbage 在 1822 年写了一篇论文,向皇家天文学会指出了这个问题,标题叫: “机械在天文与计算表中的应用”(“Note on the application of machinery to the computation of astronomical and mathematical tables”)。

让我们进入思想泡泡。

Charles Babbage 提出了一种新型机械装置叫 “差分机”(the Difference Engine),一个更复杂的机器,能近似多项式(polynomials)。多项式描述了几个变量之间的关系,比如射程和大气压力,或者 Carrie Anne 要吃多少披萨才开心。多项式也可以用于近似对数(logarithmic)和三角函数(trigonometric functions),这些函数手算相当麻烦。

Charles Babbage 在 1823 年开始建造差分机,并在接下来二十年,试图制造和组装 25,000 个零件,总重接近 15 吨。不幸的是,该项目最终放弃了,但在 1991 年,历史学家根据 Charles Babbage 的草稿做了一个差分机,而且它还管用!但更重要的是,在差分机的建造期间,Charles Babbage 构想了一个更复杂的机器 - 分析机。不像差分机,步进计算器 和以前的其他计算设备,分析机是 “通用计算机”(“general purpose computer”)。它可以做很多事情,不只是一种特定运算,甚至可以给它数据,然后按顺序执行一系列操作。它有内存,甚至一个很原始的打印机。就像差分机,这台机器太超前了,所以没有建成,然而,这种 “自动计算机”(“automatic computer”)的概念。

计算机可以自动完成一系列操作,是个跨时代的概念,预示着计算机程序的诞生。

英国数学家 Ada Lovelace 给分析机写了假想的程序,她说:“未来会诞生一门全新的,强大的,专为分析所用的语言。” 因此 Ada 被认为是世上第一位程序员(programmer)。

分析机激励了(可以这么讲)第一代计算机科学家,这些计算机科学家把很多 Charles Babbage 的点子融入到他们的机器。所以 Charles Babbage 经常被认为是 “计算之父”。

谢啦!思想泡泡

到了 19 世纪末,科学和工程领域中的特定任务会用上计算设备。但公司,政府,家庭中很少见到计算设备。然而,美国政府在 1890 年的人口普查中面临着严重的问题,只有计算机能提供所需的效率。美国宪法要求 10 年进行一次人口普查,目的是分配联邦资金,国会代表,等等。到 1880 年代,美国人口迅速增长,大部分因为移民,人口普查要七年时间来手工编制,等做完都过时了,而且 1890 年的人口普查,预计要 13 年完成,但人口普查可是 10 年一次啊!

人口普查局找了 Herman Hollerith,他发明了打孔卡片制表机(tabulating machine),他的机器是 “电动机械的”,用传统机械来计数,结构类似莱布尼茨的乘法器,但用电动结构连接其他组件。Hollerith 的机器用打孔卡(punch cards) - 一种纸卡,上面有网格,用打孔来表示数据。

举个例子,有一连串孔代表婚姻状况。如果你结婚了,就在 “结婚” 的位置打孔。当卡插入 Hollerith 的机器时,小金属针会到卡片上。如果有个地方打孔了,针会穿过孔。泡入一小瓶汞,联通电路,电路会驱动电机,然后给 “已婚” 的齿轮 + 1

Hollerith 的机器速度是手动的 10 倍左右,使人口普查在短短两年半内完成,给人口普查办公室省了上百万美元。企业开始意识到计算机的价值,可以提升劳动力以及数据密集型任务来提升利润。比如会计,保险评估和库存管理等行业。为了满足这一需求,Hollerith 成立了制表机器公司,这家公司后来在 1924 年与其它机械制造商合并,成为了 “国际商业机器公司”,简称 IBM(The International Business Machines Corporation)。

你可能听过 IBM 😂

这些电子机械的 “商业机器” 取得了巨大成功,改变了商业和政府。到了 1900 年代中叶,世界人口的爆炸和全球贸易的兴起。要求更快,更灵活的工具来处理数据,为电子计算机的发展奠定了基础。

我们下周讨论。