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史上第一部全自動的計算機——艾肯與 IBM 的恩怨情仇│《電腦簡史》數位時代(八)

張瑞棋_96
・2020/10/12 ・2932字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

當貝爾實驗室的史提畢茲已經在打造複數計算機,比他更早提案開發數位計算機的艾肯還在苦等。好不容易 IBM 願意開發,美國又捲入二次大戰戰局,究竟艾肯能否如願完成夢想……?

本文為系列文章,上一篇請見: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)

艾肯鍥而不捨,IBM 終於同意開發第一部通用型計算機

1937 年 11 月,還是博士生的艾肯帶著企劃案到 IBM 簡報,希望能說服他們也為科學家開發計算機。是的,很多科學家與艾肯一樣深受計算之苦,IBM 聽完之後深表同意。不過他們希望艾肯先去哥倫比亞大學看看,也許他會在那裡發現他想要的東西。

原來早在 1933 年,IBM 就曾接受天文學教授艾可特 (Wallace Eckert) 的提案,為他改造 IBM 601 商用計算機,用來計算天文物理的方程式。艾可特隨後還自己設計一套控制系統,將改造的 IBM 601、印表機,與打孔機連接起來,成為近乎全自動的機器。如果艾肯可以接受這套系統,IBM 就不用另外開發設計了。

IBM 601 商用計算機。圖:WIKI

艾肯拜訪之後,發現這套系統運作過程還是需要人工介入,不是全自動化。而且這台改造的 IBM 601 主要在於求取內插值,與他設想的通用型計算機相去甚遠,因此仍堅持得重新開發設計。

IBM 要求他與工程師先擬出詳細規格與研發成本,才能評估是否要投入開發。好不容易報告完成,IBM 高層又爭辯許久,無法取得共識。在此同時,哈佛大學自己內部也有不少的反對聲浪,質疑購置新型計算機的必要性。

直到 1939 年 2 月,IBM 董事長華森 (Thomas Watson) 才終於親自拍板定案,承諾無償為哈佛大學開發艾肯所規劃的「自動循序控制計算機」(Automatic Sequence Controlled Calculator,簡稱 ASCC )。恰好此時艾肯也已拿到博士學位,並在哈佛大學取得教職,便順理成章代表哈佛,繼續與 IBM 的團隊合作,自五月開始展開研發工作。

哈佛架構 vs. 馮紐曼架構

ASCC 沿用 IBM 原有的打孔卡片機制來輸入程式,但因為它是通用型計算機,所要執行的程式可能會很長,因此將打孔卡片改為打孔紙帶。打孔紙帶上的程式並不會先載入記憶單元,而是一次讀入一個指令,控制單元馬上根據指令動作。這麼做的好處是不佔用記憶單元,可以節省成本。但缺點是運算速度受限於讀取打孔紙帶的機械動作,結果 ASCC 做一次乘法要費時 6 秒,比楚澤 1941 年就造好的 Z3 還慢。

現代電腦採用的是「馮紐曼架構」,程式與數據都先全部載入記憶單元,然後再開始運作。像 ASCC 這樣,程式與數據分開,不共用記憶單元的架構,後來就稱為「哈佛架構」。

ASCC的程式用打孔紙帶輸入。圖:WIKI

ASCC 的運算方式仍是十進位制,因此對 IBM 的工程師而言,只要稍加修改原有運算單元就可以處理加減法。困難點在於 ASCC 要涵蓋三角函數、微分方程、遞迴函數、……等所有數學運算,但這些工程師對高深數學並不在行,無從想像如何設計。艾肯因此扮演關鍵的角色,必須一一拆解運算的步驟,講述給他們了解。

問題是,艾肯給予的只是描述性的說明,而不是數位邏輯,工程師還是得自己想出對應的邏輯電路。沒想到這竟為日後 IBM 與哈佛的決裂埋下了禍因。

艾肯入伍服役,三年後代表海軍徵用 ASCC

1939、1940 這兩年暑期,艾肯全程都待在 IBM 提供諮詢。但到了 1941 年,他被徵召到海軍服役,無法繼續參與研發,只能委託物理系一位研究生接手他的工作。在此同時,IBM 的工程師也改以國防任務為先,無法全心投入 ASCC 的開發,結果原本預計兩年的工程拖到 1943 年底才完成。

1944 年初,ASCC 在哈佛大學的物理研究室完成安裝,長達十五公尺,高兩米四,有 4.3 噸重,零件多達 765,000 個,是當時最大的計算機,直到一年半後才被貝爾實驗室的 Model V 超越。

ASCC 的左半部。圖:WIKI

安裝好才兩個月,艾肯便在當年四月重返哈佛,不過這次他是以海軍少校的身分回來接管 ASCC。戰爭時期國事為先,海軍決定徵用 ASCC,交由最熟悉的艾肯全權負責,帶領隨行人員計算雷達、磁場等軍艦遭遇的問題。

事實上,在海軍徵用前一個月,ASCC 就曾經為國效力。馮紐曼帶著兩位數學家前來,用 ASCC 計算原子彈的內爆模型,只是當時曼哈頓計畫仍屬絕對機密,哈佛與 IBM 的人員都不知道與原子彈有關。

艾肯獨攬發明之功,IBM 憤而與哈佛決裂

儘管 ASCC 已被海軍徵用,但這畢竟是 IBM 投入大量金錢與人力為哈佛開發的,預訂的捐贈典禮還是要照常舉辦,而艾肯自然是負責籌辦的最佳人選。捐贈典禮於 1944 年8 月舉行,不料艾肯準備的新聞稿中,竟然只將自己一人列為 ASCC 的發明者,完全沒有提及與他一起研究的那幾位 IBM 工程師。

IBM 董事長華森勃然大怒,刪除原本要給哈佛大學日後維持機器運作的經費,雙方的合作就此畫上句點,哈佛大學也乾脆將 ASCC 重新命名為「哈佛馬克一號」(Harvard Mark I)。

二次大戰結束後,艾肯退役回歸教職。即使沒有 IBM,他仍分別於 1947 年與 1949 年,為海軍開發出功能更強的哈佛馬克二號與馬克三號。

第一宗有蟲的真實案例,程式 debug 的由來

值得一提的是,1947 年 9 月 9 日這一天,海軍的程式設計師發現馬克二號總是出錯,他們檢查了半天,最後發現原來是一隻蛾在繼電器上造成短路。他們把這隻蛾取下,用膠帶貼在工作日誌上,除了註明是在 F 板塊的第 70 號繼電器發現,還戲謔地寫上「發現第一宗蟲的真實案例」(“First actual case of bug being found”)。

原來打從 1870 年代開始,蟲 (bug) 這個字就用來形容機器中的瑕疵。如今竟然是一隻真正的昆蟲造成程式執行發生錯誤,而將牠移除後就恢復正常,從此電腦程式的偵錯工作就叫 ”debug” 了。

「發現第一宗蟲的真實案例」。圖:WIKI

艾肯心血雖成昨日黃花,百年樹人影響更久遠

其實艾肯代表海軍徵用哈佛馬克一號時,美國陸軍委託另一批人馬打造的計算機已在祕密進行中,所用的真空管開關速度遠勝繼電器,艾肯這些機電式計算機很快就要被電子計算機淘汰。儘管如此,哈佛馬克一號仍是電腦史上一個重要的里程碑。它是第一部真正全自動化的計算機,只要用打孔紙帶輸入程式與數據,就能自動完成計算,並將計算結果印製成表格,過程中完全不需人力介入。

對艾肯而言,他也成功擔起傳承的使命,實現百年之前巴貝奇未竟的分析機夢想。

其實艾肯更大的貢獻在於作育英才。除了直接教導出霍普 (Grace Hopper) 、王安、……等舉足輕重的人物(霍普當年是海軍少尉,跟著艾肯去接管哈佛馬克一號,她後來寫出第一個編譯器,還領頭開發出第一個高階商用電腦語言「COBOL」;王安則是創辦「王安電腦」,首創電腦文書處理。),艾肯還首開先例,在哈佛大學開設可攻取碩士與博士學位的計算機學程,引領美國大學設立電腦科系的風潮。

這些艾肯直接與間接培育出來的電腦人才,比起他開發設計的計算機,對於電腦發展產生更久遠的影響。

文章難易度
張瑞棋_96
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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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糖漿加了小蘇打粉就膨漲?解析《魷魚遊戲》中的椪糖製作原理

Evelyn 食品技師_96
・2021/10/27 ・2842字 ・閱讀時間約 5 分鐘

超夯韓劇《魷魚遊戲》近期成為熱門討論話題,尤其椪糖關卡使南韓童年美食遊戲「戳椪糖」爆紅,劇情中玩家必須使用牙籤將椪糖上的圖案取下來,若失敗可是會直接被開槍爆頭,不過在臺灣其實也有很相似的古早味的零食椪糖喔!

韓式椪糖。圖/WIKIPEDIA by 도자놀자

臺南人的童年零食——古早味椪糖

椪糖,又名膨糖、發財糖、泡糖,是四、五年級生臺南人的童年零食。那個年代生活單純,還沒有太多的娛樂、精緻美食可供選擇,在廟口歌仔戲、布袋戲戲棚下煮椪糖的攤販,是當時孩童的娛樂及零食來源。

剛煮好的椪糖長得就像胖嘟嘟的核桃酥餅,吃起來焦香酥脆、入口即化,雖然只是純粹的甜味,在物質稀缺的當時,已經十分幸福了。

而椪糖的製作流程很簡單,將砂糖或二砂與水倒入大湯勺中,置於爐火上加熱並攪拌,至糖漿變成紅褐色時,加一點小蘇打粉至大湯勺中拌勻,糖漿便會迅速膨脹鼓起,待其冷卻定型後即完成。

而韓國的椪糖與臺灣的椪糖作法及原理大同小異,只是塑形的方式不太一樣,韓版的會壓扁再壓上圖案,弄成扁扁的薄餅狀;臺版的就讓他自然膨脹成球狀,表面帶點裂痕,模樣也是十分討喜可愛。

台式椪糖。圖/WIKIPEDIA

影響椪糖質地最關鍵的因素——溫度

若有做過椪糖就會知道,小蘇打粉加進去的時機點很重要,太早或太晚皆會導致成型失敗,這是為什麼呢?因為加熱溫度是影響糖的結晶、軟硬度和焦糖化的主要因素,不同的加熱溫度,糖的結晶狀態、質地和色澤都會不同。

糖液在加熱時,會有兩種情況發生:

  • 一、水分不斷蒸發,使溶液濃度增加。
  • 二、隨著溶解的糖增加,沸點會不斷上升,因此糖液的溫度要小心控制。

「糖液的濃度」與最後成品的「軟硬度」有直接關係,濃度不夠會過軟,椪糖表面無法形成保護殼而無法膨脹成型;濃度過高會過硬,椪糖膨脹不易,容易縮小或塌陷。

而當糖液加熱至攝氏 130 度左右時滴入冷水中,會形成能保持形狀且具可塑性的硬球,這時候糖液的質地是能讓椪糖膨發效果最佳的狀態,因此不會用肉眼判斷添加小蘇打粉至糖漿的好時機沒關係,可以在加熱的同時,使用專門測糖液的溫度計測量糖溫就可以了!

東京淺草的街頭小販手工製作椪糖。圖/WIKIPEDIA

糖怎麼轉變成令人誘惑的焦糖色呢?

說到糖的加熱,就不得不提到焦糖化反應(caramelization)了,它是自催化的非酵素性褐變(non-enzymatic brownin)反應,指的是蔗糖這類的小分子醣類於高溫環境發生脫水、聚合的反應,顏色逐漸轉變成金黃、淺褐至深褐色的產物 (通稱為焦糖) 的過程。

這個過程非常複雜,反應溫度通常在攝氏 120 度以上,在酸性與鹼性環境下均會發生。在食品工業上可製造成焦糖色素,作為食品添加物使用,常添加於醬油、糖漿、可樂或酒類等食品中。

焦糖的色澤會隨加熱溫度及時間的增加,由金黃、琥珀、淺褐、褐、深褐色至焦黑碳化;味覺的變化則是先為甜味,隨著顏色加深逐漸轉至苦味,最後甚至可能出現辛辣味。 

攝氏 130 度的糖液大概是呈現淡淡的金黃色,不過這是單純以細砂糖製作來看,若使用二砂製作椪糖的話,那糖液一開始就會是呈現金黃色了。

糖漿色澤與溫度的變化。圖/參考資料 4

椪糖膨脹的關鍵——碳酸氫鈉遇熱分解

在加熱攪拌過程中,糖液已經拌入許多空氣,隨著加熱空氣持續在膨脹,水氣也一直持續蒸發,直到糖液加熱到攝氏 130 度的糖漿時,須離開熱源並加入小蘇打粉。

小蘇打粉即是碳酸氫鈉(sodium bicarbonate),受到高溫直接分解產生大量二氧化碳氣體。最外層接觸到空氣的糖液最先冷卻,變硬形成保護殼,椪糖膨脹隆起,待膨脹停止後,內部的構造就形成具有許多小氣孔的蓬鬆質地。

椪糖會不會致癌?

就從焦糖化反應可製造出焦糖色素的標準來看,聯合國農糧醫藥食品添加物專家聯席委員會(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA)將焦糖色素分成四類:

第一類:普通焦糖 (plain caramel)

第二類:亞硫酸鹽焦糖 (sulfite caramel)

第三類:銨鹽焦糖 (ammonia caramel)

第四類:亞硫酸-銨鹽焦糖 (sulfite ammonia caramel)

不同類別的焦糖色素,具有不同的焦體電荷、安定性與色度,用途亦各不相同。我國針對這四類焦糖色素有明確訂定,規範細節可見衛福部食藥署公告的食品添加物使用範圍及限量暨規格標準[8]

數十年來眾多針對焦糖色素所進行的毒理學研究,特別是安全疑慮比較高的第三類及第四類焦糖色素,都發現焦糖色素不具基因毒性、遺傳毒性與致癌性,確認焦糖色素是安全的食品添加物。

加上椪糖才加熱到攝氏 130 度,焦糖化反應影響因素很少,所以吃椪糖其實不必太過擔心致癌風險。

可樂、醬油經常添加焦糖色素。圖/WIKIPEDIA

跟致癌比起來,你比較需要擔心熱量

比起擔憂致癌疑慮,椪糖的熱量才是比較需要注意的地方,畢竟它幾乎都是由精製糖所製成。

我國衛福部國民健康署建議「精製糖建議攝取上限為 10% 以內,例如:總攝取熱量若為 2000 大卡,精製糖攝取量就不宜超過 200 大卡,每日精製糖攝取量最好能控制在 50 克以內。」最佳的情況,是每日不超過 25 克,其實就相當於一個椪糖 (20 克上下) 的重量了。

所以當你開心吃著好吃又好玩的椪糖時,還是要記得別吃太多,以避免攝取過多的精製糖及熱量,而賠上健康喔!

參考資料

  1. 國立台中教育大學科學教育與應用學系 科學遊戲實驗室,膨糖:http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-005.html
  2. 施明智 (2021)。食物學原理 (第三版)。新北市:藝軒圖書出版社。
  3. Mcdowell, E. J. (2015) Everything You Need to Know to Make Caramel Candies at Home. Retrieved from https://food52.com/blog/12212-everything-you-need-to-know-to-make-caramel-candies-at-home (Oct 10, 2021)
  4. 徐若瑄 (2017)。利用科學方法研究古早味椪糖。中華民國第 57 屆中小學科學展覽會。新北市。
  5. 戴士傑,2006。焦糖化產物的特性及其與酚類物質交聯程度之探討。國立屏東科技大學食品科學系碩士學位論文。屏東。
  6. 張月櫻,焦糖色素與 4-MEI (4-甲基咪唑) 說明稿 (2013)。檢自https://www.food.org.tw/TW/DisquisitionDetail.aspx?DisquisitionID=iZcsl/uRyXg= (Oct 10, 2021)
  7. 衛生福利部食品藥物管理署,食品添加物使用範圍及限量暨規格標準 焦糖色素 (2013)。檢自https://consumer.fda.gov.tw/Law/FoodAdditivesListDetail.aspx?nodeID=521&id=854 (Oct 10, 2021)
  8. 灃食公益飲食文化教育基金會,精製糖與非精製糖的差別為何? (2019)。檢自https://www.foodnext.net/science/machining/paper/5470279180 (Oct 10, 2021)

Evelyn 食品技師_96
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
國立大學食品科學研究所畢業,現為一名食品技師兼食品研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確資訊!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁 https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421
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