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電腦先驅中的先驅——不為人知的楚澤│《電腦簡史》數位時代(六)

張瑞棋_96
・2020/09/28 ・3492字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

他開發出史上第一台二進位的數位計算機,而且所用的就是馮紐曼後來才提出的現代電腦架構。當電腦先驅們只知道用機器語言輸入指令時,他已經發明世上第一個高階語言。他還設計出類似電腦螢幕的機制,即時顯示計算機實際接收到的輸入指令。但世人卻幾乎不認識這位先驅中的先驅——楚澤。

只因楚澤生在德國,又逢二次世界大戰,以至於研究中斷延宕。等到戰後他重啟計算機的開發時,已經遠遠落後,最後不得不黯然退出了……。

本文為系列文章,上一篇請見: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)

V1——第一台二進位數位計算機完工,只不過……

1938 年 6 月,楚澤花了將近兩年時間打造的 V1 計算機終於完工。這個龐然大物用了兩萬個零件,重達一千公斤,幾乎佔據了家中整個客廳。

測試的結果一如楚澤的構想,不需繼電器,僅憑金屬條就能完成 22 位元的浮點運算。但成也金屬條、敗也金屬條,因為這一片片完全都是用手工鋸出來的,精密度不是很高,有時會卡住而難以移到正確位置,或者應該分隔卻互相接觸而構成錯誤迴路。

V1的複製品。圖:WIKI

事實上在剛開始建造時,楚澤的朋友舒瑞亞 (Helmut Schreyer) 就對金屬條不以為然,勸他使用真空管。舒瑞亞當時正在攻讀電機博士,楚澤只覺得這是高居象牙塔的痴人說夢,他從來不敢肖想這麼昂貴的零件。但如今 V1 的實際運作情況讓他不得不認真考慮了。

楚澤已經獲得那位企業家的一筆資金,但金額仍不足以讓他任意揮霍。已經拿到博士學位的舒瑞亞再次提出建議,這次至少是個可行的折衷方案:買不起真空管沒關係,那就用電話交換機汰換下來的二手繼電器。(楚澤用廢棄的電影膠卷取代紙條,也是出自他的建議)

打造下一代計算機的實驗機型——V2,不料二次大戰爆發……

楚澤評估如果 V1 全部都改用繼電器,至少需要兩千個以上。保險起見,他決定先將控制單元與運算單元換成繼電器,記憶單元則繼續沿用金屬條,並且將規格降低為 16 位元,放棄浮點運算、限定小數點位數,這樣應該只需要兩百個繼電器,就可以打造一台過渡性質的計算機 V2。一旦證明繼電器電路穩定可靠,再用 V2 去爭取更多資金,打造下一代的計算機。

不料 1939 年 9 月德國閃電入侵波蘭,開啟了第二次世界大戰,也打斷了楚澤的計畫。

1939 年 9 月,德軍閃電入侵波蘭。圖:WIKI

楚澤被徵召入伍,分發到步兵單位。入伍沒多久,他就寫信給上級,表示自己開發中的 V2 可用來加密情報文件,盼能讓他發揮計算機的才能,報效國家。不過眼前德軍更迫切需要的是武器,況且他們已經有威力強大的恩尼格瑪密碼機 (Enigma),開發計算機顯然不是首要之務。

德軍更看重的,反而是楚澤之前擔任結構工程師的經驗,於是把他轉派到亨舍爾飛機公司,協助開發戰鬥機。楚澤怎麼也沒想到,繞了一圈,自己竟又回到幾年前辭職的公司上班。不過這至少比上前線打仗好多了。

楚澤利用下班時間繼續打造 V2,最後終於在 1940 年中建造完成。他在當年九月向德國航空研究所展示 V2,這次他以協助空氣動力學的計算為訴求,成功獲得資金挹注。他趁此成立公司,開發完全採用繼電器的數位計算機 V3。

全繼電器的數位計算機 V3 完工,下一步,操作簡便又便宜的V4

V3 僅花了半年時間就完成,總共使用 2,400 個繼電器,和 V1 一樣可以做 22 位元的浮點運算,但速度提升到 5 赫茲,加減法不到 1 秒,乘除法也僅需 4 秒。楚澤於 1941 年 5 月對外公開展示,結果最先收到的訂單就是來自他上班的公司——亨舍爾飛機。

V3 複製品。圖:WIKI

不過楚澤真正想做的不是為客戶客製化計算機,而是大量生產可以直接使用的通用機型。要做到大量生產,首先就得壓低成本。所以楚澤將這個預計量產的機型 V4 設計成像 V2 那樣,只有控制單元與計算單元使用繼電器,記憶單元則使用金屬條。一方面這也是基於現實面的考量,因為戰事造成物資吃緊,繼電器不易取得。

雖然成本壓低,但 V4 的性能反而超越 V3,速度提高到 30 赫茲,容量也更大,可以處理 32 位元的運算。而且記憶單元預存了開根號、三角函數sin、最小、最大等指令集,可以直接呼叫使用。為了讓使用者很快上手,楚澤還為 V4 發明了世上第一個電腦高階語言 Plankalkül(意指「規劃計算」)。

高階語言接近自然語法,使用者很容易就能學會,然後只要在改造的打字機輸入Plankalkül 中的相關指令,打字機便會在膠卷上打孔,轉換成二進位的程式碼。在此同時,有個裝置會將膠卷上的程式碼轉換成 Plankalkül 語言,立即顯示在燈號面板上,讓使用者確認是否與所輸入的一致,好即時更正錯誤。不用等到機器執行完程式後。才費心尋找指令哪裡打錯。

德軍敗退、V4改名,楚澤的命運從此大不同

楚澤於 1942 年開始打造 V4 的原型機,計畫一年到一年半之間完成。不料,美國於 1941 年底因日本偷襲珍珠港而決定參戰。在美軍的支援下,同盟國對柏林展開猛烈的轟炸,楚澤的工作屢屢因空襲而被迫中斷,物資取得也更加困難。V4 就這麼做做停停,進度大受影響,直到 1945 年初才終於打造完成。

只是此時蘇聯的軍隊已逼近柏林,德軍決定把重要的戰略性武器與人員從柏林轉移到其它城市,於是楚澤帶著拆解成二十箱的 V4,跟著一起撤到哥廷根 (Göttingen)。1945 年 4 月,楚澤重新將 V4 組裝完成,但五月德國就宣布投降,他的計算機大業也隨之停擺。

楚澤打造的V4,現保存於慕尼黑的德國博物館。圖:WIKI

戰後楚澤只能靠畫油畫與刻些木雕賣給美軍與觀光客維生,如此過了兩年多,直到 1948 年,他才租了個地方開封蒙塵已久的 V4,重啟計算機工坊。不過為了避免外界將 V4 與納粹的 V1 、V2火箭聯想在一起,他乾脆將 V4 改名為 Z4 (Z 代表他的姓氏 Zuse),之前的計算機 V1、V2、V3 也就跟著改為 Z1、Z2、Z3。

隔年一位蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 的教授前來拜訪,當場出一題微分方程式測試 Z4 的能耐。只見楚澤三兩下設定好後, Z4 馬上就解出答案,這位教授立刻以五萬瑞士法郎向楚澤訂購一台。楚澤用這筆錢再度成立公司,繼續開發下一代計算機。1958 年,楚澤終於用真空管打造出全電子式的計算機 Z22,殊不知早在 13 年前,大西洋的另一邊就有人率先開發出來了。 

楚澤後來又繼續開發新的機種,但他經營企業的能力遠遠不如設計天分,到了 1964 年,公司終因周轉不靈賣給一家鋼鐵公司,五年後又被轉賣給西門子 (Siemens)。

時不我予——縱有超越時代的創見,最後只能黯然退出

在這場開發數位電腦的競賽中,楚澤從原本獨占鰲頭,到後來黯然退出,絕對不是因為他技不如人。相反地,他的創見始終遠遠領先其他人。

他在馮紐曼提出現代電腦架構之前,就已經如此設計開發計算機;他用鍵盤直接輸入指令時,別的機器都還是靠更換打孔紙帶或電路接線;當其他人腦子裡只有機器語言時,他已經在使用高階語言;而他用燈號面板即時顯示輸入結果,更是相當於現代電腦螢幕的機制。

馮紐曼提出的電腦架構。圖:WIKI

只能說是時不我予。楚澤縱有超越時代的創見,也不敵造化弄人。

二次大戰促使美國政府全力開發計算機,相反地,納粹政府卻以武器為先,並未支持楚澤的計畫。楚澤在這關鍵的幾年落隊,就再也沒機會迎頭趕上了。而這不僅是他個人的損失,楚澤的成果與創見也因為戰爭而不為外界所知,英美的電腦先驅們因此錯失了從中獲得啟發的機會。

這也令人不禁設想:倘若當初楚澤沒有將 V4 改名為 Z4 呢?戰後美蘇雙方都急忙派遣特殊部隊前往德國搶奪傑出人才,美國的「迴紋針行動」(Project Paperclip) 更是瞄準火箭科學家。如果楚澤將錯就錯,繼續讓人以為 V4 是新的火箭,他會不會被當成火箭科學家帶去美國,然後運用那裏的龐大資源,繼續扮演創新者的角色,加速電腦的演進? 

無論如何,歷史無法重演。經過二次大戰,計算機的發展從此就由美國主導了。

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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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