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手算來不及啦!先驅者並起,數位計算機的萌芽時期│《電腦簡史》數位時代(五)

張瑞棋_96
・2020/09/21 ・4445字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

1937 年,夏農完成影響深遠的碩士論文,為後世擘劃出邏輯電路,開啟數位電腦的大門。不過歷史上總會有一些先驅者,縱然還沒有理論可依循,就先動手摸索嘗試。數位電腦也是如此,在夏農公開發表論文之前,已經有多組人馬試圖打造新型計算機。奇妙的是,他們彼此互不相識,卻宛如心有靈犀,都在 1936 – 1937 年之間開始著手開發。

本文為系列文章,上一篇請見:獨自搞定電腦與通訊的理論基礎,卻罕為人知的天才——夏農│《電腦簡史》數位時代(四)

客廳即工坊,數位計算機的先行者——楚澤

數位計算機的先驅者中,最先動手打造的是德國的楚澤 (Konrad Zuse)。楚澤在大學期間曾對未來感到迷惘而轉換科系,所以直到 25 歲才從土木工程系畢業。畢業後,楚澤到一家飛機公司擔任結構工程師,但不到一年就決定辭職,全心開發計算機。

據他回憶,這個念頭早在大學時期就已萌生。當別人都在玩樂談戀愛,他卻只能埋首於算都算不完的方程式,不禁幻想著有部計算機可以代勞這些大量複雜的計算。沒想到上班之後,竟又深陷計算地獄,讓他下定決心要打造出一台可程式化的計算機,用來解各種複雜的聯立方程式。

楚澤 (Konrad Zuse, 1910-1995) 攝於 1992 年。圖:WIKI

1936 年夏天,楚澤把家裡客廳當作工作坊,開始打造 Z1 計算機(原本楚澤取為V1,V 代表德文 “Versuchsmodel”,意思是「實驗機型」。後來為了與德國 V1 火箭區別,才改稱 Z1)。楚澤將 Z1 規劃為運算單元、記憶單元、控制單元、輸入/輸出單元,以及紙帶讀取器。這設計幾乎就是現代電腦的基本架構,唯一差別在於 Z1 的記憶單元只是用來貯存運算的數字,不像現代電腦的記憶單元也用來貯存程式。Z1 的運算程序和巴貝奇的分析機一樣,記錄在打孔紙帶上,再由讀取器傳送到控制單元(後來楚澤聽從朋友的建議,改用廢棄的電影膠卷,更便宜也更耐用)。

Z1 還有外接一具電動馬達,以每秒轉動一圈的速度,讓各個單元同步運作;這作用就相當於現代電腦中的「時脈產生器」。事實上,這具電動馬達是整部機器中唯一的電氣元件。這聽起來很不可思議,楚澤不用繼電器之類的元件,如何打造出二進位的數位計算機?。

原來楚澤家中並不富裕,部分資金還是跟朋友募來的,根本買不起那麼多繼電器。所以他只好另闢蹊徑,找來朋友幫忙鋸出一片片金屬條,每片的末端再釘上一根針,然後將金屬條縱橫交錯地裝在板子上,做成可以左右或上下滑動。每個單元各自都有這樣的板子,透過滑動金屬條改變接觸點,便能形成不同迴路,達到與繼電器一樣的效果。

Z1 計算機的局部設計圖。圖:WIKI

也因為資源有限,楚澤想出用「浮點數」(floating-point numbers,類似十進位的科學記法 a x 10n) 的形式來貯存數字,可以更有效地利用硬體零件。浮點運算如今也成了電腦做小數點運算的方式。

雖然楚澤想辦法找出克難的方法,不過光靠家人與朋友的資金還是捉襟見肘,於是他在 1937 年邀請一位製造機械式計算機的企業家前來參觀,希望能獲得他的資助;或許因此還能買得起繼電器,打造下一個機型。

到目前為止,楚澤仍是數位計算機的唯一領先者,但他不知道在大西洋的另一邊,還有多組人馬也已經起跑。夏農正在撰寫那篇震古鑠今的碩士論文,此外,有三位先驅者也在 1937 這一年試圖開發數位計算機。當然,他們也都毫不知情自己加入了這場開發數位計算機的競賽。

祕寶深藏閣樓半世紀,巴貝奇的繼承者——艾肯

艾肯 (Howard Aiken) 比楚澤大十歲,母親也是德國裔。他青少年時全家搬到印第安那州,父親卻開始酗酒家暴。艾肯十二歲時為了捍衛母親,持撥火棒將抓狂的父親趕出門,父親從此消聲匿跡未再回來,全家生活也因而陷入困頓。

為了幫忙分擔家中生計,艾肯只好輟學打工。所幸他的老師認為他有數學天分,特地幫他找了個夜間接線生的工作,讓他白天仍能繼續上學。艾肯就這麼半工半讀直到完成大學學業,畢業後到電力公司上班,擔任電機工程師。工作將近十年後,他於 1933 年又重返校園,進入哈佛大學攻讀物理博士。

艾肯 (Howard Aiken, 1900-1973)。圖:WIKI

1936 年,艾肯在準備博士論文時,常因為計算非線性微分方程式,耗費大量時間與精神,讓他深感苦惱,因此也與巴貝奇、楚澤一樣,期盼能交給計算機代勞。

雖然當時已經有許多 IBM 之類的計算機公司,但是艾肯詢問的結果,竟然沒有一台可以處理非線性微分方程式的計算機。他有聽聞布希剛發明的微分分析儀,但只能解線性微分方程式,因此也派不上用場。

艾肯轉念一想:既然 MIT 可以支持布希打造計算機,咱們哈佛難道不行嗎?艾肯跑去跟系主任提這個想法。結果系主任告訴他:聽說科學中心的閣樓裡有台黃銅製的計算機,要不你先拿去看能不能用。

原來在閣樓中蒙塵已久的機器,竟是巴貝奇的差分機模型。這是他的兒子亨利在他死後所造,然後於 1886 年,為了祝賀哈佛建校兩百五十週年,捐贈予哈佛大學。艾肯立刻迷上了巴貝奇的機器,他進一步研究後,才知道還有一架分析機才是巴貝奇的終極夢想。

艾肯埋首史料之中,感覺巴貝奇彷彿從過去招喚著他,要他完成使命——倒不是要按照巴貝奇的原始設計圖重現分析機,而是以當代技術實現分析機的功能。

巴貝奇的兒子亨利所造的差分機模型。圖:WIKI

不過艾肯現在的研究領域是理論物理,已不再是工程師了,所以他無意親自動手,而是打算制定出計算機的規格後,再交由廠商設計打造。

1937 年 4 月,艾肯完成二十三頁的計算機企劃案,除了涵蓋分析機的所有功能,還增列一些要求,包括計算負數,以及運用現有的函數(這意謂著要有記憶體預存這些函數)。

艾肯拿著企劃案拜訪一家大型計算機廠商,但對方評估了幾個月後,還是婉拒他的提案。所幸這家廠商有位中階主管相當熱心,幫艾肯居中牽線,讓他於當年 11 月向 IBM 簡報他的企劃案。艾肯渾然不知,此刻就在不遠處的貝爾實驗室裡,有位博士已經在打造數位計算機的原始電路。

在廚房完成數位計算機的概念驗證——史提畢茲

史提畢茲 (George Stibitz) 比艾肯小四歲,成長過程相當順遂,26歲取得數學博士學位後,就直接到貝爾實驗室上班。當夏農於 1937 年暑假到貝爾實驗室實習時,史提畢茲已經在那裡工作滿七年,不過他與夏農不在同一部門,所以兩人彼此並不認識。

史提畢茲 (George Stibitz, 1904-1995)。圖:WIKI

這一年,史提畢茲被分派新的任務,恰巧是負責繼電器的設計。身為數學家,史提畢茲原本就相當熟悉二進位制,他也注意到繼電器與二進位制的關聯性,而萌生了一個想法。

1937 年 11 月的一個週末,史提畢茲把一些零件帶回家,就在廚房餐桌上組裝起來。他剪開菸草罐,裁出幾塊薄鐵片,用它們將兩個繼電器、電池,與燈泡固定在木板上,再用電線把它們連接起來,做出史上第一個繼電器組成的數位加法器。因為它是在廚房誕生的,史提畢茲的妻子乾脆把它取名為「型號 K」。

因為史提畢茲只帶了兩套零件回家,所以只能輸入二進位的 01 或 10,相加的結果用兩個燈泡顯示,亮代表 1 ,暗代表 0。雖然這個加法器如此陽春,但它的意義在於「概念驗證」 (proof of concept),證明了用繼電器建構的電路,可以成為一部數位計算器。史提畢茲相信只要給他更多繼電器,就能打造出加減乘除都能做的計算機。

隔天史提畢茲帶著型號 K 去公司,興沖沖地展示給同事看,不過大家都只當它是個有趣的玩具,沒有人察覺到它的重大意義。史提畢茲多年後回顧當時情景,不禁感慨:「沒有煙火、沒有香檳」。其實就連他也沒想過自己正站在數位時代的開端,他只希望獲得主管首肯,讓他繼續開發數位計算機。

就在史提畢茲爭取主管支持之際,美國中西部有位教授研究計算機已經一年多,某一天他突然靈光一閃,想出如何打造出全電子式的計算機。

魔幻時刻!在酒吧想出全電子式數位計算機——阿塔納索夫

阿塔納索夫 (John Vincent Atanasoff) 和史提畢茲年紀相仿,兩人只差半歲,同樣也在 1930 這一年取得物理博士學位。他在寫博士論文時,和巴貝奇等計算機先驅一樣,深受繁重的計算工作之苦,因而不時想像是否能用計算機解決。事實上,當時他還真的研究過學校向 IBM 租用的計算機,但發現它無法處理自己所用的方程式。

阿塔納索夫 (John Vincent Atanasoff, 1903-1995)。圖:WIKI

1936 年,阿塔納索夫已經是愛荷華大學的教授,他終於動手打造一台類比計算機,用來計算拉普拉斯轉換。最後雖然打造成功,但他也認清類比計算機存在無法克服的限制,無論是運算速度與數字精確度都無法滿足要求,於是他毅然決定轉向開發數位式計算機。

原子物理是阿塔納索夫的研究領域,他剛好知道英國物理學家溫-威廉斯 (C. E. Wynn-Williams) 於 1932 年用真空管電路打造二進位計數器,能以極高的速率偵測粒子,因此他決定也用真空管做為計算機的元件。不過真空管價格昂貴,如果全面採用,所需的資金恐怕他個人和學校都負擔不起。

權衡之下,阿塔納索夫決定只有運算單元採用真空管,但記憶元件則使用電容器。電容器價格便宜許多,雖然充、放電的速度比較慢,但畢竟記憶單元的存取頻率不像運算單元那麼高,拖慢的速度尚可接受。

唯一的問題是,電容器的電力很快就會流失,貯存的資訊也就跟著消失。阿塔納索夫一直想不出如何維持電容器的電力,一直到 1937 年 12 月的一個夜晚,他為了整理思緒開車上路,一路開到三百公里外的伊利諾州。他走進路邊一家酒吧,點了酒慢慢小酌,突然間靈光一閃,電容器的充電機制就在腦中浮現。

這個關卡突破後,他隨即在餐巾上草擬出計算機的整體架構與基本規格。幾個小時後,阿塔納索夫步出酒吧,心滿意足地徐徐開車返家,準備展開全電子式數位計算機的打造計畫。

阿塔納索夫體驗了許多發明家的魔幻時刻,而 1937 這一年在數位計算機的歷史上也是神奇的一年。

群雄並起,誰能在數位計算機征戰中勝出?

這一年,夏農完成影響深遠的碩士論文,等待公開發表;德國的楚澤所設計的 Z1 計算機已在建造中;艾肯試圖說服 IBM 開發他已制定好規格的計算機;貝爾實驗室的史提畢茲完成邏輯電路的概念驗證,爭取主管同意開發數位計算機;阿塔納索夫則跳過繼電器,構思出全電子式的計算機。

1937 年,群雄並起,不約而同地追逐數位計算機這座聖杯。究竟哪組人馬最後會脫穎而出呢?

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 328 位粉絲
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。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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海豹在臺灣出現合理嗎?鼻頭漁港海豹現身事件和跟著浮出水面的反思

chungweiyou_96
・2021/10/27 ・3368字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本週(10/24)在臺灣瑞芳的鼻頭漁港首度發現一隻靠岸在本島的海豹,這個消息對很多人來說都非常的興奮!但另一方面,這隻海豹也讓一些問題跟著浮出水面:比方如何辨識海豹、海獅等鰭腳類動物?新北市動保處為何要捕捉這隻海豹?海豹出現在臺灣合理嗎?港內的垃圾如何處理?跟著本文,讓我們來一一了解!

海豹、海象、海獅、海狗,傻傻分不清楚?

在分類方面,首先我們知道鰭腳類動物(Pinnipedia)就是指這類四肢演化成鰭狀的海洋哺乳類動物,主要分布在溫帶與寒帶(但仍有少數例外,如加拉巴哥海獅 Arctocephalus galapagoensis 所分布的加拉巴哥群島就是位處熱帶)。

鰭腳類動物包含了海象、海豹、海狗以及海獅,對一般人來說確實是個挑戰。其中較好分的就是海象,擁有一對非常醒目的獠牙;其次則是海豹,海豹是沒有外耳的,後腳看起來更接近尾巴,因此在岸上移動困難;而海獅和海狗就不好分了,在分類上的定義也不夠明確(海狗是海獅類群的其中一分子),要分辨的話,普遍主要會從海獅體型較大、雄海獅有明顯鬃毛、體毛較粗等來大致區分。

環海豹。圖 / 作者提供
加拉巴哥海獅。圖 / 作者提供。

為何要把海豹抓起來?可能的原因與反思

然後就是新北市動保處為何想要捕捉這隻海豹了。這個問題大概可以拆解成以下幾項:

一、因為海豹是外來種?

新北市動保處處長在新聞稿以及鼻頭漁港現場,都說了海豹是外來種云云。

外來種的定義是「某物種直接或者間接靠人為力量抵達某原分布外的地點者稱之」;反過來說,靠自身能力(飛行、游泳、空漂、海漂⋯⋯)抵達臺灣的生物,就不是外來種。而目前經清查,各大水族館以及海洋公園等地,都說並沒有遺失海豹的情況之下,這隻在鼻頭漁港出現的海豹,就不能以外來物種的標準處置(如果有所謂的外來種處置方式的話啦)。

二、還是哺乳中的小海豹?

10 月 25 日早上,我也在鼻頭漁港現場攝影,並目擊了圍捕經過。詢問過後發現,現場所有準備圍捕海豹的人員,沒有一人知道那隻海豹究竟是什麼物種。如果有小小做點功課,至少會說可能是斑海豹或者港海豹的其中之一,但現場沒有人說出上述的任何名字。

就我個人在現場觀察和攝影,個人認為比較可能是港海豹(Phoca vitulina),但因為港海豹和斑海豹(Phoca largha)外觀相當相似,所以也不敢直接說死。

港海豹分布於亞洲、歐洲以及北美洲的溫帶和寒帶地區,IUCN 判定無危,數量穩定。如果現場人員都無法判斷這隻海豹究竟是哪個物種,要人如何相信 24 日報導中說的「專人判定是哺乳期中的小海豹」?專人是哪位?以這種不夠可信的理由想要把海豹抓起來,似乎操之過急。

那我們就來看看這隻海豹是哺乳期幼仔是否合理吧!首先,港海豹在介於 2 月到 7 月之間產仔(緯度越高越晚生),產仔之後,媽媽只花 3-4 週的時間哺乳,之後就離開寶寶讓牠獨立生存。所以假設牠最晚在 7 月出生,又哺乳長達 4 週,圍捕當天已經是 10 月 25 日,怎麼算都不可能是所謂的「還在哺乳期的個體」!

有新聞報導小海豹可能跟母豹走失。圖/NowNews

根據 Monica Muelbert 和 William Don Bowen 在 2011 年的研究[1]顯示,港海豹幼仔平均在產後 24.1±0.44 天斷奶,斷奶的當下體重為 24.9±0.45 公斤 (n=52)。鼻頭漁港的這隻港海豹雖然沒有被抓起來量體重,但目測體長約 1 公尺、體重超過 25 公斤應該是沒有懸念,怎麼看都不是哺乳期的幼仔,還腦補了跟父母走散等劇情,用意只是想合理化捕捉的動作嗎?

這次在鼻頭漁港的港海豹。圖 / 作者提供。

三、擔心小海豹在漁港內受傷?

基本上這隻迷路到臺灣的港海豹,應該視為如同迷鳥一樣的狀況。同樣是史上首見,2014 年金山小白鶴剛到的時候,動保處也沒有急著要捕捉,那為什麼這隻港海豹就要抓?在「外來種之說」以及「哺乳期幼仔之說」都有些不可靠的情況下,處長接著說因為牠在漁港內可能會被漁船或者漁具等弄傷,所以想要捕捉之後去野柳海洋世界給獸醫師檢查,再找適當的時機和地點野放。

這個理由我可以接受,但正值東北季風強盛,當天早上天氣也一直都不好,港外的浪況相當驚人,捕捉人員雖然沒有抓到港海豹,但間接把港海豹趕出港外,在這種浪況極度不佳的海象之下,是不是逼著牠去冒更多的險?漁船在這種天氣也不會出港作業,若能讓牠在港內休息幾天,也觀察幾天,等過幾天天氣好,港海豹也因為喘息幾天而恢復體力(一路從溫帶南漂到臺灣肯定非常消耗體力),再有所動作應該也不遲?

金山小白鶴。圖 / 作者提供。

後來,10/25早上離開鼻頭漁港前,動保處處長說,他們當天的捕捉行動其實也想要測試、觀察港海豹的行動能力。看起來牠逃走的時候很正常,游泳的速度也是非常快,應該是健康無虞的個體。

港海豹出現在臺灣合理嗎?

至於港海豹出現在臺灣到底合不合理?要回答這個問題之前,要先知道一個概念:動物在某地點族群數量變多,新的個體競爭不到資源(或者數量沒變多,但環境品質劣化導致資源減少)時,就有可能冒險向外拓展新領地。

如果是海豹,在這個過程中,就有可能被強大的洋流帶往意料之外的低緯度地區,比方沖繩和越南都有發現過海豹的紀錄。至於臺灣的部分,昨晚看到李璟泓(里山基金會發起人)學長挖到一則老新聞,說 1957 年 8 月就有漁船在臺灣海峽撈到海獅(但其實比較像海豹);2013 年 6 月,蘭嶼東清灣海灘上也曾發現了一隻斑海豹屍體;所以此事件並不是完全沒有前例可循,在試圖妄下結論之前,真的要先花時間找資料啊。

1957年的報紙新聞。圖/取自國立公共資訊圖書館。

番外篇:港內垃圾怎麼那麼多?

再來就是港內的垃圾問題了。在港海豹離開後,已經有工作人員清理了鼻頭漁港內的垃圾,效率很高。大家看到海豹照片的時候,大多都會順便譴責一下垃圾過多的問題。

我也同意港內垃圾必須清理,但這個問題並不是當地人維持乾淨、不亂丟垃圾就能解決的。海洋四通八達,你在某地海邊撿到的垃圾有相當機會其實是遠方其他地區的人丟棄的。這是個相當大的議題,希望大家除了譴責當地人以外,有機會也可以幫忙參加淨灘活動。

鼻頭漁港的海豹與垃圾。圖 / 作者提供。

最後也想特別討論一下,大家如果遇到不熟悉的野生動物該如何應對。每個人對於動物的認識程度不盡相同,總有機會遇到一些自己不認識的動物。建議大家如果遇到不認識的動物,首先務必保持冷靜、安靜,並仔細觀察,記下特徵;如果有機會,就拿出手機拍攝一些照片。取得照片後安靜的離開遭遇動物的現場,讓雙方皆留有一些空間,千萬不要試圖捕捉或者攻擊,除了有犯法之虞,也可能弄巧成拙反而被動物攻擊!

後續,你可以主動搜尋一些管道尋求辨識協助,比方如果你看到的是一隻不熟悉的青蛙,可以有禮的請教一下臺灣兩棲類動物保育協會,以此類推,就看你看到的是哪個類群動物,找相關團體請教即可。甚至,現在社群網路如此發達,你只要 po 在自己的版面上,就有人會幫忙轉貼至各大相關版面,進而獲得解答。你的照片,或許還有可能協助研究者有新的發現!

總之,先觀察、後拍攝,最後安靜離開,就是標準遭遇不熟野生動物的 SOP 囉!

當然最後還要補一句,可以跟上百年難得一見的港海豹來臺事件,真是高興!榮幸!萬幸!Cheers!

參考資料

  1. Monica Muelbert, William Don Bowen, Duration of lactation and postweaning changes in mass and body-composition of harbor seal, Phoca-Vitulina, pups, 2011

chungweiyou_96
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
大家好,我最喜歡的類群是兩棲爬行類動物,但基本上對於所有動物的神奇和美麗都是無比嚮往。
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