0

0
1

文字

分享

0
0
1

終端機雛形、遠端操控、數據傳輸的首創者——史提畢茲│《電腦簡史》數位時代(七)

張瑞棋_96
・2020/10/05 ・3505字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

貝爾實驗室的史提畢茲打造出第一個繼電器加法器後,等了好幾個月才獲得主管批准,打造複數計算機。他為這台機器設計了許多首開先例的操作方式,包括多台輸入/輸出裝置、遠端操控、以電話線傳輸資料。就連「數位」 (digital) 這個詞都經他建議才普遍使用的。

本文為系列文章,上一篇請見:電腦先驅中的先驅——不為人知的楚澤│《電腦簡史》數位時代(六)

複數計算機——因長途電話而生,成為貝爾實驗室得力助手

1938 年春,楚澤在柏林打造 V1 已近尾聲之際,貝爾實驗室的史提畢茲終於等到主管的答覆。幾個月前,史提畢茲向主管展示只有兩個繼電器的陽春加法器 Model K,希望能夠進一步開發二進位的計算機。然而貝爾實驗室是 AT&T 成立的研究單位,研究的領域當然是以電話通訊為主。在主管眼中,繼電器是電話交換機的零件,史提畢茲卻想拿來搞數位計算機,與本業似乎毫不相干,因此遲遲未批准他的提案。

ModelKStibitz.jpg
只有兩個繼電器的 Model K。圖:Wiki

不過目前他們實驗室的確在計算上遇到瓶頸。主要是因為長途電話得靠訊號放大器增強訊號,但增強的結果,雜訊也跟著放大了,所以又得加上濾波器過濾雜訊。其中處理訊號的方程式牽涉到複數的計算(複數的基本形式是 a + bi,其中 a 與 b 是實數,i 是 -1 的平方根,稱為虛數),相當麻煩,兩數相乘就要六個步驟,相除更多達十二個步驟。

為了不要浪費數學家的時間,貝爾實驗室特地雇用一群女性計算員專門負責計算複數。雖然有機械式的四則計算器可以用,仍要耗費不少時間與人力,而且每一步驟都要先寫下計算的結果,再將它們按實部與虛部分別加總,這過程不免發生人為錯誤。於是史提畢茲的主管把他找來,確認他能開發出計算複數的計算機後,才同意進行,並指派設計交換機的資深工程師威廉斯 (Samuel Williams) 和他合作開發。

既然是專門計算複數,他們乾脆將這台機器取名為「複數計算機」(Complex Number Calculator)。史提畢茲針對複數計算的特性,設計成兩個運算單元同時運作,各自進行實部與虛部的計算。運算單元當然是使用繼電器,一共用了四百多個,但記憶單元則是改裝自現成的縱橫式交換機。

輸入/輸出裝置也是用傳遞電報的電傳打字機 (Teletype) 改裝而成,從打字機鍵盤輸入算式後,計算的結果會由同一台打字機列印在紙上。經過一年多的時間,複數計算機終於在 1939 年 10 月完工,可以在 45 秒內完成兩個複數的乘除。這計算速度似乎不是很快,但至少可以避免人為錯誤。

複數計算機的輸入/輸出裝置。圖:WIKI

為了有效利用複數計算機,當機器於隔年一月正式上線時,共外接了三台電傳打字機,讓不同部門的人員可以在原地操作,直接得到答案,不須走到機器所在的位置。當有人正在使用時,互鎖裝置 (interlock) 會自動啟動,防止第二個人再連進機器,以免干擾機器運作造成錯誤。複數計算機順利運作,從此成為貝爾實驗室的得力助手,直到進入 50 年代前才退役。

史上第一遭,透過電話線操作三百多公里外的計算機

1940 年 9 月 11 日,「美國數學學會」(American Mathematical Society) 在達特茅斯學院 (Dartmouth College) 舉辦年會,史提畢茲上台展示已經運作好幾個月的複數計算器(約莫此時在歐洲那邊,楚澤也在德國航空研究所展示他的 V2)。其實這台複數計算機並不在年會現場,它仍然安置在紐約的貝爾實驗室,年會舞台上只放了一台電傳打字機,兩者透過三百多公里的電話線相連。

史提畢茲在鍵盤輸入算式後,過沒多久電傳打字機就將答案列印在紙上,令現場聽眾嘖嘖稱奇。接著他邀請台下的數學家親自測試,複數計算器也都吐出正確答案,獲得普遍讚揚。

值得一提的是,有幾位即將在電腦發展中扮演重要角色的人物也在現場,包括馮紐曼、第一台通用型電子計算機的發明人莫奇利 (John Mauchly),以及「模控學 (cybernetics) 之父」維納 (Norbert Wiener)。

史上首度遠端遙控電腦的會場:達特茅斯學院的麥克那廳。圖:WIKI

二次大戰需大量防空火炮,射控系統急需自動測試

複數計算機獲得各界正面評價,史提畢茲本想乘勝追擊,爭取預算繼續改良計算機。不過對高層而言,花了兩萬美元的複數計算機已經夠用了,看不出改良的迫切性。而且此時貝爾實驗室正忙著軍方的委託案,為防空火炮的射控系統開發類比計算機,用來預判敵機的飛行路徑,實在沒有多餘人力,於是否決了史提畢茲的提案。不料一年之後,竟是軍方同樣的委託案,重啟了數位計算機的開發。

原來納粹軍隊在歐洲勢如破竹,美國眼見同盟國情勢危急,於是在 1941 年 6 月重新改組剛滿周年的「國防研究委員會」,另外成立「科學研究發展局」,同樣由凡納爾.布希領導,直接對總統負責。史提畢茲隨即被借調到科學研究發展局就職,加入射控 (Fire Control) 部門。

幾個月後美國宣布參戰,軍方的武器需求大增,貝爾實驗室隨即湧入大量訂單。原本貝爾實驗室都是靠人工計算並輸入敵機的模擬數據,以測試、修正類比計算機,如今遽增的測試工作已非人工作業所能負荷。

於是史提畢茲跳下來開發一套自動測試系統,他以複數計算機為基礎,同樣用繼電器設計出「內插值計算機」(Relay Interpolator),只要輸入描述飛行路徑的函數,計算機便利用內插法產出大量的數值,供射控系統模擬測試。

圖片下方中間即是射控系統的類比計算機。圖:WIKI

史提畢茲打造內差值計算機,進而設計通用型計算機

內插值計算機於 1943 年 7 月完工,用了 440 個繼電器,和複數計算機差不多,最大的不同在於運算程序由打孔紙帶控制,只要更換不同紙帶就能執行不同的內插法。這是美國第一部可程式化的數位計算機,比起楚澤的 Z3 已經晚了兩年,而且只做內插法的運算,不如 Z3 的用途廣。

史提畢茲隨後又設計了兩台計算機,同樣用於射控系統,但功能更強大,可以直接算出防空火炮的彈道,並即時與敵機的飛行路徑做比較。因為它們都是用繼電器打造的數位計算機,貝爾實驗室便按開發順序,將它們取名為 Mode lII 和 Model IV。這兩台計算機分別於 1944 年中與 1945 年初交給軍方使用,直到 50 年代末才退役。

由於這幾部計算機都相當成功,科學研究發展局打算投入五十萬美元,開發更大型的計算機,除了計算射表、彈道,還能讓軍方用來做各種計算。貝爾實驗室於 1944 年獲得這項通用計算機的開發案,規劃設計當然仍由史提畢茲操刀,型號依例按開發順序就叫 Model V(型號五)。

Model V 於 1946 年 7 月啟用,所用的繼電器超過九千個,重達 10 噸。它有兩套獨立的系統,各自有完整的控制單元、運算單元、記憶單元與輸入/輸出裝置,可以同時運算兩種不同問題,也可以合成一體處理較複雜的大型問題。兩套系統如何運作是由機器的主控單元指揮,主控單元有專屬的控制程式,相當於現代電腦的作業系統 (Operation System)。

安裝於美國陸軍「彈道研究實驗室」的Model V。圖:WIKI

史提畢茲創舉留後世,貝爾實驗室再端新技術

不過史提畢茲並未全程參與 Model V 的開發。1945 年二次大戰結束後,科學研究發展局也解除對他的借調,讓他歸建原單位。但史提畢茲決定不回貝爾實驗室,而是以私人顧問的身分為企業與政府機構提供諮詢服務。前幾年他主要還是在電腦領域,但後來就轉向生物醫學的研究了。

史提畢茲對電腦做出許多先驅性的試驗。複數計算機同時接了三台輸入/輸出裝置,雖然不能同時多人使用,仍算是後來電腦主機搭配多台終端機的最早雛型。而他在達特茅斯學院的數學年會上,完成史上首度遠端操控電腦的演示,開啟了操作電腦的另一種方式,同時證明了電話線傳輸數據的可能性。而且使用數位 (digital) 這個詞來指稱計算機也是史提畢茲率先倡議。

1942 年,他在科學研究發展局的會議中,建議計算機的類別應該用數位與類比來區分,而不是「脈衝」(pulse) 與類比。如果不是他,今天我們用的詞可能就是「脈衝電腦」、「脈衝化」、「脈衝時代」了。

至於貝爾實驗室,緊接著 Model V 推出精簡版的 Model VI 之後,就再也沒有投入計算機的開發。雖然如此,他們仍持續對電腦與網路做出許多重大貢獻,包括數據機、電晶體、行動網路、衛星通訊,乃至 UNIX 作業系統與 C 語言,都改變了數位時代的面貌。

文章難易度
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》。


0

2
1

文字

分享

0
2
1

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。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策