人口普查、打孔卡片、IBM——第一台插電的計算機│《電腦簡史》數位時代(一)

計算機從齒輪時代邁入新的數位時代,有兩個重大變革,一是硬體零件,一是運算方式。硬體改用電子元件取代機械齒輪,運算方式則從類比轉為數位化。不過光數位化還不夠,還必須從十進位改為二進位,才可以在貯存、運算或傳輸各方面都達到最佳效果。這過程並非一蹴而成,而是多位先驅——或提出理論架構,或動手發明——闢出不同的進路,最後才匯聚成現代電腦的樣貌。

本文為系列文章,上一篇請見:將類比計算機推向顛峰,也為未來科技舖好沃土的凡納爾.布希│《電腦簡史》(二十四)

人口普查統計搞了八年!怎麼辦?

計算機什麼時候開始用電的?上一篇提到凡納爾.布希與學生於 1926 年發明的「連續積分儀」首度利用電錶與可變電阻,但其實這並不是第一台插電的計算機。事實上,早在特斯拉於 1896 年為西屋公司電建立交流電網之前,就已經出現使用電力的計算機了。

1880 年,美國展開十年一度的人口普查。調查員挨家挨戶詢問各項基本資料,在表格上填寫完成後,統一送回華府的「美國普查局」(United States Census Bureau) 進行各項統計與交叉分析。當時美國人口已超過五千萬人,如此龐大的資料全賴人工作業,最後花了八年的時間才處理完畢。

當時美國普查局有個新進的菜鳥叫何樂禮 (Herman Hollerith),前一年才從大學畢業,在這次普查負責工業數據的統計。他看見局裡堆積如山的普查資料,已經可以預見處理起來勢必曠日廢時,於是與部門主管畢林斯 (John Shaw Billings) 討論是否有更好的作法。畢林斯告訴他有一種雅卡爾織布機,利用打孔卡片自動編織圖案,或許可以用這樣的原理打造一部機器,幫忙統計資料。何樂禮聽了記在心裡,開始私下進行研究。

何樂禮 (Herman Hollerith) 攝於1888年。圖/WIKI

如果結合打孔紙帶與繼電器……

一年後,普查計畫的主持人轉任 MIT 校長,回頭挖角何樂禮到 MIT 機械系任教,於是他只在普查局待了兩年,就於 1882 年前往波士頓。何樂禮在 MIT 執教之餘,仍抽空繼續研究自動統計的機器,不過教學工作遠比他想像的繁重,於是過了一年他就辭去教職,到華府的專利局工作。如此一來他有更多時間來設計機器,也可以順便學習如何為自己的發明布局專利。

1884 年,何樂禮提出第一項專利申請。在這個原始設計中,何樂禮用的是打孔的紙帶,紙帶上每一排有 26 格,藉由在不同位置打洞,來代表一個人的年紀、性別與人種。其中年紀就佔了 20 格,十位數與個位數各有 10 格代表 0 到 9,在其中兩格打洞表示歲數,因此只能記錄 00 到 99,百歲人瑞就沒辦法了。

紙帶通過滾輪時也會經過一排電刷,有打洞的那幾格,電刷會接觸到紙帶下方的金屬而構成電流迴路,對應的繼電器隨之啟動(裡面的電磁鐵通電後,產生磁力吸引金屬條移動),帶動計數器。整卷紙帶全部跑完,各項數字也就自動累加完畢。這就是史上首度使用電流的計算機——不過它只停留在設計圖的階段,並沒有真的製造出來。

打孔卡片取代紙帶,租賃合約取代買斷

因為何樂禮很清楚這樣一部機器仍無法應付人口普查。紙帶能再增加的寬度有限,所承載的資訊量遠遠不及普查的項目。此外也無法再進一步分類統計,例如不同性別或不同人種的年齡分布。因此何樂禮將專利申請送出去後,立即著手改善,最後他從當時的火車票得到靈感,用打孔卡片取代紙帶,一張卡片記錄一個人,便能放進更多個人資料。

何樂禮設計的打孔卡片。圖/WIKI

同時他改用矩陣式的探針穿過卡片上的洞,與孔洞下方的水銀凹槽接觸,就可以從特定組合的電路得出對應項目的分類統計;若要做不同項目的統計分析,只要更換不同的探針頭就可以了。此外,何樂禮還裝設了卡片歸類匣,共有 22 格。卡片經過探針頭後,電子訊號同時打開它應歸類的格子,操作人員就知道這張卡片應該放置何處,不需要再靠人工判讀比對。

1886 年,何樂禮完成了改良後的原型機,取名為「何樂禮電力製表系統」(Hollerith Electric Tabulating System)。經由畢林斯的協助,這部機器獲得巴爾的摩公共衛生署 (Baltimore Department of Health) 用來做死亡統計,取得不錯的成效,於是隨後紐澤西州以及紐約市的公共衛生署也陸續採購使用。從巴斯卡以降,多少計算機先驅充滿期待卻無法達成的事——計算機的商業化,終於在何樂禮手中達成。

這當然要歸功於何樂禮結合打孔卡片與電流控制,讓計算機展現巨大的效能。但除了技術因素之外,還有一個成功關鍵在於新的商業模式。何樂禮並不是直接將機器賣給客戶,而是透過西屋電氣這樣的大公司提供租賃服務,讓客戶每月支付租金即可。如此一來客戶就不會因為購置金額龐大而裹足不前,何樂禮也能取得資金專心研發,瞄準最大的目標—— 1890 年的人口普查。

人口普查大放異彩,商用市場勢如破竹

其實何樂禮根本沒有對手,另外兩家參與標案的廠商仍是用人工作業,測試成績遠遠落後,因此美國普查局毫不猶豫地選用何樂禮電力製表系統。結果這次只花了六年就處理完畢,雖然只比上次縮短兩年,看起來不多,但其實美國人口已成長到將近六千三百萬人,比十年前增加了四分之一。

此外這次調查的項目也變多了,資料量大幅增加下,卻用更少的人力在更短的時間內完成(其實大部分的人力與時間都花在前置作業,他們得先將回收的調查表製成打孔卡片),已足以證明何樂禮這部機器確實有極大的效益。

用於1890年人口普查的自動製表機。圖/WIKI

何樂禮十年磨一劍,威震江湖。問題是人口普查十年才一次,在取得下次標案前,難道要喝西北風?何樂禮趕緊尋找新的客戶,他發現鐵道公司是最佳對象,因為如我們之前在巴貝奇的章節提到,隨著鐵路不斷增建,客運量與貨運量快速成長,鐵道公司每天都需要大量人力進行結算。如果獲得鐵道公司採用,就可以帶來穩定的收入。

不過原來針對人口普查設計的機器只能算是加法器,而鐵道公司進行結算時,加減乘除都會用到。因此何樂禮將萊布尼茲的步進滾筒整合進來,原本滾筒表面九根突起長條是以機械方式帶動齒輪,改成接觸導電而啟動繼電器,便能同樣用電流完成四則運算。何樂禮順便裝設了自動輸送卡片的機制,就不需靠人工一張一張的放進卡片。此外,他還從電話交換總機獲得靈感。當時仍是靠人工將電話線路在「插接板」(Plugboard) 上插拔來接通電話,何樂禮也在探針頭上加裝插接板,如此不用更換探針頭就能切換不同的交叉統計。

何樂禮終於在1896 年九月,獲得紐約鐵道公司同意採用這部全新的「整合製表機」(Integrating Tabulator)。有了這家全美第二大鐵道公司的合約,何樂禮在三個月後就放膽創業,成立「製表機器公司」(Tabulating Machine Company)。他不但再次贏得 1900 年人口普查標案,而且到了 1908 年,他的公司已經有三十家大型客戶,除了鐵道公司,還有壽險公司、公家機構,以及製造業。

公司合併誕生 IBM,影響電腦發展一世紀

不過事必躬親的何樂禮也因為業務擴張而健康亮起紅燈,於是在一位金融家的規劃下,於 1911 年讓公司與另外三家分別製造時鐘、打卡鐘,與精密磅秤的公司合併為「計算—製表—記錄公司」(Computing-Tabulating-Recording Company,簡稱C-T-R)。何樂禮本身轉任技術顧問,繼續為新公司效力十年才功成身退。

1924 年,C-T-R公司更名為定位更明確、更具雄心的名稱:「國際商業機器公司」,也就是我們現在熟知的 IBM (International Business Machines Corporation)。

IBM的前身——“Computing-Tabulating-Recording Company” 。圖/WIKI

雖然公司名稱用的是「商業機器」,但如我們所見,百年來IBM 一直都是以計算機為事業核心。這當然都源自於何樂禮的發明與開拓出來的商用市場,在他奠定的基礎上,IBM繼續成長茁壯,不斷在電腦的發展上扮演舉足輕重的角色。

除了孕育出 IBM,何樂禮對於電腦的技術創新也做出直接的貢獻。是他率先引進電力,開啟計算機從機械式轉向電子式之路;是他率先將打孔卡片實際用於計算機(雖然是巴貝奇最早提出,但畢竟他的分析機從未建造出來),引領後世繼續使用打孔卡片將近一世紀;也是他率先將插接板用於變更運算,而為後來的可程式化計算機仿效。

雖然何樂禮的自動製表機與現代電腦還有一大段距離,但是計算機能跳脫窠臼,往現代電腦邁進,何樂禮絕對居功厥偉。

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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