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誰才是第一部電子計算機?——靠 650 美元誕生、曾被遺忘的 ABC 電腦│《電腦簡史》數位時代(九)

張瑞棋_96
・2020/10/19 ・2838字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

當貝爾實驗室與 IBM 挾著龐大資源開發數位計算機時,在美國中西部一所以農業為主的學院裡,一位物理教授竟然單槍匹馬,僅憑拮据的經費就要打造出更先進的電子計算機……。

本文為系列文章,上一篇請見: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)

只有 650 美元,卻想打造第一台電子計算機的原型機?

1939年 5 月,當艾肯與 IBM 啟動哈佛馬克一號的開發案時,愛荷華州立大學教授阿塔納索夫也獲得學校補助,加入打造數位計算機的行列。

IBM 有雄厚財力與商業計算機的基礎,另一邊正在開發複數計算機的貝爾實驗室也有龐大研究經費,反觀阿塔納索夫手上的資源卻少得可憐。學校只給了他 650 美元的補助,其中三分之二還是給研究生貝瑞 (Clifford Berry) 的助理津貼。在如此拮据的情況下,阿塔納索夫卻執意不用 IBM 與貝爾實驗室所用的繼電器,而是選擇速度更快,卻也更昂貴的真空管。

阿塔納索夫。圖:WIKI

阿塔納索夫早就預料經費有限,因此他在一年多前規劃整體架構時,已經琢磨出克難的方案。他降低成本的策略與楚澤設計 V4 時一樣,都是瞄準記憶單元。楚澤用金屬條取代繼電器,阿塔納索夫則是用電容器取代真空管。也就是說,只有運算單元使用真空管,記憶單元全部使用便宜許多的電容器。

研究助理貝瑞原本就是電機系學生,在他的協助下,只花了半年時間,就於 1939 年底完成精簡版的原型機。雖然只有兩組 25 位元的記憶單元,運算單元也只有 13 個真空管,但運作結果證明了阿塔納索夫的構想可行,學校也同意新的年度再撥給他 700 美元繼續打造。

這筆錢當然仍遠遠不足,因此阿塔納索夫又向 IBM 等商用計算機公司投遞計劃書,卻都石沉大海。後來終於在 1941 年 3 月,有一個基金會願意贊助五千美元,這部計算機才得以在 1941 年底打造完成。

使用真空管與電容器,第一部電子計算機問世

阿塔納索夫一開始就是為了計算線性代數,才設計出這部計算機。它的原理是透過加減運算,逐步消去變數與方程式,最後得出答案,因此運算單元與控制單元相對簡單。完工後的機器尺寸並不大,約莫一張書桌大小,重 320 公斤,只用了 280 個真空管。最多可解 29 個變數的線性方程組。

記憶單元的主體構造是兩個直徑 20 公分的滾筒,各有 1,600 個電容器分布在滾筒表面。橫置的滾筒每秒轉一圈,表面的電容器經過電刷時,完成讀取資料與重新充電。這就是 1937 年底,阿塔納索夫在酒吧靈光一閃,冒出腦海的解決方案。

輸入裝置與艾肯和史提畢茲的設計一樣,利用 IBM 現有的打孔卡片,輸入程式與數據。輸出裝置就相當特殊,真的可以用很「炫」來形容。它是讓特製的卡片經過兩個電極之間,用五千伏特的電弧在卡片上灼燒出許多細小的洞,來記錄計算結果。

ABC的構造。圖:WIKI

貝爾實驗室與 IBM 在這個時期所開發的計算機仍是用繼電器,雖然傳遞的是電子訊號,但繼電器的開關是機械動作,唯獨阿塔納索夫這部計算機全程用電子訊號進行二進位的運算。所以當它於 1942 年初成功解出有 10 個變數的線性方程組,也立下一個重要的里程碑,成為第一部完成運算的電子計算機。

有些人認為它並不純然是電子式,因為滾筒轉動是機械式的。不過這個說法並不公允,因為現代電腦所用的硬碟,裡面讀取頭的動作也是機械式,但我們並不會因此就說現代電腦不是電子式計算機。

二戰中斷研發,兩人各奔前程,留下的 ABC 電腦成歷史灰燼

當然,滾筒大幅拖慢了運算速度也是事實,不過要再提高滾筒轉速應該沒有太大問題,運算速度也就可以提升了。另外輸出裝置也須要再做改善;在實際運作時,電弧偶而會有偏差,沒有打在卡片上的正確位置,而輸出錯誤的答案。這可以設法增進放電的精確度,或放寬孔洞之間的距離,甚至乾脆放棄電弧,改用別種方式貯存計算結果,來確保記錄正確。

只不過就算阿塔納索夫與貝瑞有任何想法,也都來不及再加以改善了。1942 年中,他們兩人都被徵召入伍,不得不離開校園。阿塔納索夫到海軍的武器實驗室服役,二次大戰結束後,與朋友共同創立一家武器研發公司,直到 1961 年退休,從事青少年的電腦教育工作。

貝瑞則是到一家國防相關的企業研發光譜儀,退役後仍繼續留任,不料卻在 1963 年自殺身亡。為了紀念貝瑞,阿塔納索夫從此將他們研發的計算機稱為「阿塔納索夫–貝瑞電腦」 (Atanasoff – Berry Computer,簡稱 ABC)。

ABC 的複製品,存放於愛荷華州立大學。圖:WIKI

其實阿塔納索夫本來沒有機會將 ABC 這名稱告訴全世界,因為外界從來不知道他們發明出第一部電子計算機。由於愛荷華州是個農業州,工商業並不發達,與科技界原本就沒什麼交集。而愛荷華州立大學當時只是農業與工藝學院,在科學研發方面又不受外界關注。以致於整個 40 年代,只有三篇短短的新聞稿報導過他們開發的電腦。

阿塔納索夫與貝瑞離開後,留在物理館地下室的機器逐漸蒙塵敗壞,後來整個愛荷華州立大學也沒人知曉它的用途,就被拆解丟棄了。最後只留下一個插滿電容器的滾筒,見證它曾經存在。因此除了少數人,世人根本不知道有這麼這一台機器。

阿塔納索夫自己也只把打造 ABC 當成一個有趣的經驗,不值得大肆宣揚。事實上,當年他向基金會申請到補助後,曾經順便將文件複本寄給學校特約的專利律師,但不知是學校並不積極跟催,或是戰爭的影響,專利申請一直沒有送出去。阿塔納索夫自己也覺得無所謂,沒繼續追問,可見他完全沒察覺自己的發明所蘊含的重要性與價值。

第一部通用型電子計算機 ENIAC,研發竟涉嫌剽竊自 ABC?

沒想到原本已在電腦史上石沉大海的 ABC,竟在 1967 年春出現了轉機。阿塔納索夫也才知道自己錯失了什麼。

原來漢威聯合 (Honeywell) 等大型電腦公司都被索討專利授權金,而當初取得專利的莫奇利 (John Mauchly) 所憑藉的,是他所設計出第一部通用型電子計算機 ENIAC。但莫奇利是在拜訪阿塔納索夫,研究過 ABC 之後,才打造出 ENIAC。因此漢威聯合的律師希望阿塔納索夫能出庭作證,他們就能主張對方的專利無效。

阿塔納索夫這才驚覺自己不以為意的專利,竟被他一度推心置腹的莫奇利拔得頭籌。想當初自己熱心地招待莫奇利住在家中,讓他檢視建造中的計算機,還把整份文件攤給他看,結果他竟然獨享利益與光環。忿忿不平的阿塔納索夫當然樂意出庭作證,至少要讓世人知曉他與死去的戰友所打造的 ABC,才是第一部通用型電子計算機。

差點成歷史灰燼的 ABC,終於因為這件官司而受到矚目,得以載於史冊。至於判決結果如何、ENIAC 究竟與 ABC 有無關係、莫奇利又是怎麼踏上這條路的,就待下一章分曉了。

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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半導體以前的半導體:從礦石收音機到電晶體——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/21 ・3430字 ・閱讀時間約 7 分鐘

從礦石收音機到電晶體

直到 1947 年末,美國發明電晶體後,人類才正式開始使用半導體。不過在這之前,人類已經在使用類似半導體的東西,礦石檢波器就是其中的代表。

日本從 1925 年開始放送廣播,最早的收音機使用的是礦石檢波器。檢波器是一種可以接收電波,並從中提取出聲音與音樂等資訊訊號的元件。使用天然存在之礦石製作出來的檢波器,就叫做礦石檢波器。

礦石檢波器。圖/東販

圖 1-1 是礦石檢波器的原理。檢波器的構造是以金屬製的針碰觸著方鉛礦這種特殊礦石(圖 1-1(a))。

電流容易從金屬針流向礦石,卻很難從礦石流向金屬針(圖 1-1(b))。這種特殊的性質稱為整流性,也是半導體的特性。

對於擁有整流性的物質來說,容易讓電流通過的方向稱為順向,不容易讓電流通過的方向則稱為逆向

換言之,順向的電阻較低,逆向的電阻較高。之後會說明理由,總之有這種特性的元件,可用於製作檢波器。而順向與逆向的電阻比值愈大,可以製成愈靈敏的礦石檢波器。

礦石檢波器的原料是天然礦石,所以品質並不固定。針的接觸位置不同時,靈敏度也不一樣。所以製作礦石檢波器時,必須試著尋找能夠使針的敏感度達到最佳的特定位置。雖然品質不穩定,但製作簡便又便宜,也不用消耗電力,所以早期的收音機常會使用礦石檢波器。

當時的收音機少年也熱中於用礦石檢波器,自己動手製作礦石收音機。以前筆者(井上)年紀還小的時候,就曾自己製作礦石收音機。調整好礦石檢波器後,就可以清楚聽到廣播電台的聲音,讓人相當興奮。為了盡可能提高接收電波時的靈敏度,我當時也下了不少工夫。

這裡就來簡單說明用檢波器,從電波中提取出資訊訊號的原理吧。

訊號的接收與提取

接收無線電波訊號。圖/東販

如圖 1-2 所示,欲以無線電波傳送聲音、音樂等頻率較低的波時,需先將其轉變成頻率較高的波才行。

這個操作稱為調變。圖中,以調變器混合資訊訊號波(同圖①)與頻率較高的載波(同圖②)後,可以得到同圖③般的波,然後再發送這種無線電波(同圖④)。

檢波器接收到這種無線電波(同圖⑤)後,由於只會讓正向的調變波通過,故可得到同圖⑥般的波。這種波含有頻率較低的訊號波與頻率較高的載波,所以需再通過低通濾波器(只讓低頻率的波通過的濾波器),抽取出訊號波(同圖⑦)。

在真空管收音機盛行起來之後,人們便不再使用礦石檢波器。不過,在第二次世界大戰時,礦石檢波器又起死回生。使用礦石檢波器的雷達,在第二次世界大戰相當活躍。

雷達的原理。圖/東販

雷達如圖 1-3 所示,可透過指向性高的天線,朝特定對象發射高頻率電波脈衝,再接收由該對象反射回來的電波,並計算時間差,以測量出與該對象的距離與方向。之所以要使用高頻率電波,是因為頻率愈高,愈能正確識別出細小的物體。

這種雷達使用的無線電波叫做微波,頻率在 3GHz~10GHz 左右。若要用真空管檢波器,從頻率那麼高的無線電波中檢出訊號,必須使用體積很大、電容量很大的真空管才行,所以真空管不適用於高頻率的檢波器。

重出江湖的礦石檢波器

此時就輪到礦石檢波器重出江湖了。使用礦石檢波器時,針與礦石只要有一個接觸點就行了,電容量很小,在高頻率時也能正常運作。

如前所述,礦石檢波器的運作並不穩定,無法直接用於戰爭。於是歐美國家便紛紛投入研發性能更好、能夠取代礦石檢波器的新型檢波器,最後得到的就是矽晶(半導體)與鎢針的組合。

矽晶是由人工製成的均質結晶,所以不需要像使用礦石時那樣,用金屬針尋找、調整最佳的接觸位置。

而且,隨著雷達矽檢波器的研究持續發展,科學家們也發現了矽晶是相當典型的半導體。

為了提高結晶的純度,矽晶的精製技術也跟著進步,這和戰後電晶體的發明也有一定關聯。而且,因為製造出高性能的檢波器,所以人們也開始使用像是微波這類過去幾乎不用的高頻率無線電波。相關技術在戰後開放給民間使用,於是電視與微波通訊也開始使用這些無線電波。

雖然我並沒有要肯定戰爭行為,但戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。

戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。圖/pexels

半導體就是這種東西—溫度與雜質可提高電導率

接著就讓我們進一步說明,半導體究竟是什麼東西吧。

所有物質大致上可依導電性質分為兩類,分別是可導電的「導體」,以及不能導電的「絕緣體」。

導體的電阻較低,電流容易通過,譬如金、銀、銅等金屬皆屬於導體。另一方面,絕緣體的電阻較高,電流難以通過,橡膠、玻璃、瓷器皆屬於絕緣體。

我們可以用電阻率 ρ(rho:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電阻率的單位是〔Ω・m〕,電阻率愈大,電阻就愈大。

導體、半導體、絕緣體的分類。圖/東販

如圖 1-4 所示,雖然沒有明確的定義,不過導體指的通常是電阻率在 10-6Ω・m 以下的物質,絕緣體指的則是電阻率在 107Ω・m 以上的物質。

相對於電阻率,有時會用電導率 σ(sigma:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電導率為電阻率的倒數(σ=1∕ρ),單位為〔Ω-1・m-1〕。與電阻率相反,電導率愈大,電阻就愈小。

相對於此,半導體如名所示,性質介於導體與絕緣體之間;電阻率也介於導體及絕緣體之間,即 10-6〜107Ω・m。代表性的半導體如矽(Si)與鍺(Ge)。

半導體的特徵不僅在於電阻率的大小,更有趣的是,隨著溫度與微量雜質濃度的不同,半導體的電阻率數值也會有很大的變化。圖 1-5 為溫度對半導體電阻率的影響示意圖。圖中縱軸寫的是電導率 σ,但要注意的是,縱軸的 σ 值其實是對數尺度。

溫度對半導體電阻率的影響。圖/東販

由這個圖可以看出,一般而言,隨著溫度的上升,金屬的電導率會下降(電阻率上升);但半導體則相反,在 200℃ 以下的範圍內,溫度上升時,半導體的電導率會跟著上升(電阻率下降)。

1839 年,法拉第在硫化銀 Ag2S 上首次發現了這種隨著溫度的上升,電導率會跟著上升的奇妙現象。雖然他不知道為何會如此,不過,這確實是人類首次發現半導體性質的例子。

電流是電子的流動,所以電導率提升,就代表半導體內的電子數變多了。電子原本被半導體原子的+電荷束縛著,無法自由移動。不過當溫度上升,獲得熱能後,電子就能脫離原子的束縛自由移動了。

這種能自由移動的電子(自由電子)數目增加後,會變得較容易導電,電導率跟著上升。這就是半導體的一大特徵。

高純度的半導體結晶在室溫下熱能不足,幾乎不存在自由電子,所以可視為絕緣體。

不過,如果在半導體結晶內添加極微量的特定元素雜質(Ge 與 Si 以外的某些元素),便可大幅降低電流通過半導體的難度。這也是半導體的一大特徵(詳情將在 1-5 節中說明)。

半導體的自由電子,也可以透過光能觸發。

英國的史密斯於 1873 年時發現了這種現象。他用光照射擁有半導體性質的硒(Se)時,發現硒的電阻變小了(內光電效應)。

1907 年,英國的朗德對碳化矽(SiC)結晶施加電壓賦予能量時,發現結晶會發光。這種能讓光與電能互相變換的特性,也是半導體的特徵。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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史上第一個全腦世代!獨立、重視個體性、技能比學位更重要的「Z 世代」——《全腦人生》
天下文化_96
・2022/08/24 ・4462字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • (編按)根據不同世代的背景和特徵,歐美國家流行將不同年代出生的人們依序冠以:
    • 嬰兒潮世代:1946 年~1964 年,二戰後嬰兒潮
    • X 世代:1965年~1980年
    • Y 世代:1980年~1990年,千禧世代
    • Z 世代:1990年代末~2010年代前期,數位原生世代
    • α 世代:Z 世代的子女

隨著科技日新月異,各個世代產生了哪些轉變?

千禧世代之後,Z 世代接棒,他們的父母通常是思想獨立的 X 世代。這些 Z 世代青年比父母一輩更獨立,更運用全腦生活,原因如下:

  • 第一,這些孩子是由 X 世代撫養,長成的一號人格註1超級給力。
  • 第二,Z 世代接受右腦學習教育,造就強大的全腦思維。
  • 第三,X 世代得將嫻熟科技的全腦思維,融入嬰兒潮世代。

那由左腦建構的世界,無獨有偶,Z 世代也得將全腦思維融入千禧世代那右腦主導的世界。綜上所述,Z 世代在生物學上和文化方面都是史上第一個全腦世代。

Z 世代與千禧世代相仿,從嬰兒床時期就與科技產品綁在一起,許多人說自己的母語之前,早就會說谷歌語言。

不過,千禧世代喜歡群體,希望置身社群網路,Z 世代在社交活動上卻更為自主,沒那麼喜歡與人互動,反而與科技互動更自在。

科技常常使得人與人的互動減少,你們也是嗎?圖/Envato Elements

將科技視為自我延伸的「Z 世代」

深究發現,Z 世代其實是將科技視為自我的延伸,有意識的將科技工具整合至日常生理活動。

手機應用程式替他們監控生命徵象,計算步數及每分鐘的呼吸次數,追蹤睡眠,減緩心率,降低焦慮,還會以任何你可想像的方式協助轉移注意力;手機應用程式會告訴他們該吃什麼,何時達到社群媒體每日使用時間上限,何時該睡覺——然後,會播放 δ 波音樂,提升睡眠品質。

儘管資通訊科技可促使人與人之間更頻繁交流,

卻不會激起人際連結的火花,

無法以正向方式刺激大腦。

Z 世代青年如此頻繁使用科技,變得愈來愈自動化,神經愈來愈根據科技來調節,世代差異益發明顯。與美軍世代及嬰兒潮世代的傳統思維、價值觀與行動相比,這些孩子及之後的 α 世代,神經學層面實有獨到之處。

在一個世紀內,大腦的支配方式及價值觀已然產生變化,儘管我們數十年來早已發現,人與人的接觸有助建立更健康的神經網路,科技卻造成人際連結嚴重中斷。

儘管資通訊科技可促使人與人之間更頻繁交流,卻不會激起人際連結的火花,無法以正向方式刺激大腦。人類天生就是社會動物,我們與科技的緊密互動,正在戕害我們的健康。

越科技,與孤獨的距離也更近

根據一份各世代孤獨感的自陳報告研究,科技使用程度與孤獨感之間呈直接正相關。

比起從小身處科技環境的世代,美軍世代及嬰兒潮世代成長過程畢竟並未時常伴著手機、電腦、平板電腦,受試者自陳的孤獨感較低。此外,機不離身導致人機界線模糊,病態狀況層出不窮,夫妻與家人莫不帶著這頭號問題,尋求治療解方。再加上電磁輻射對生物系統的影響仍為未知,科技也開始彷彿列車長不在的失速列車。

Lonely Ryan Reynolds GIF by POKÉMON Detective Pikachu
如果感到孤獨的話,也許是時候該放下手機了。圖/GIPHY

2001 年,全腦 Z 世代族群年紀尚小,有些人甚至還沒有出生,全美社會就歷經九一一事件的創傷,承受創傷後壓力症的餘波;後來 2008 年金融危機,迪士尼樂園假期縮成宅度假,這些孩子很快就知道這世界危機四伏,他們的二號人格遭恐懼和焦慮淹沒,也是理所當然;日常言論充斥著政治對立和仇恨,無怪乎藥物過量與自殺情形肆虐,年輕一代那些自覺在人際網路中無足輕重的孩子,更是置身險境。

要是上述事件還不夠嚴重,請想想這些孩子還面臨 2020 年開始的新冠肺炎大流行,說他們有點像是在野外求生,也不為過。

世道如此艱難,Z 世代如同千禧世代,耗費許多時間應付戰鬥或逃跑反應,並未累積太多財富,當然不願買房或安頓下來,反而希望繼續移動,畢竟移動的目標才難以被抓住。

所以,Z 世代究竟有哪些特徵?

Z 世代如父母一樣獨立,重視左腦一號人格的個體性,沒興趣將自己擠入社會組織架構的框架,於是,許多人選擇直接跳過大學。

Z 世代只要動動手指,就能通達浩如煙海的資訊,真真切切以強大的一號人格與科技共存,也以三號人格的價值觀過活。想要什麼東西,就上亞馬遜訂購,無論他們可能身在何處,訂購物品幾乎立刻就送達門前。三號人格好喜歡科技帶來的即時滿足感。

網際網路幾乎可以即時滿足 Z 世代的大部分物質慾望。圖/Pixabay

Z 世代天生熟悉電腦程式碼,許多人幾乎沒什麼開銷,便賺得大筆收入,因為大型科技公司現在直接透過網路雇用他們的技能。事實上,在科技盛行的世界,Z 世代人才炙手可熱,谷歌與亞馬遜等大公司甚至不需要員工有學士學位。

Z 世代喜愛高薪工作,開名車,身著最新的花押字印花名牌。Z 世代一號人格的自我價值由所持有的事物反映,但若二號人格感覺遭威脅,而三號人格需要衝至別處,也要隨時能將所需要的事物一把抓起帶著走。

這點,與典型的千禧世代特徵有如天壤之別,千禧世代通常會到古著店或二手衣店買衣服,錢比較不會用在自己身上,更傾向捐款做公益。

與社群媒體共生:Z 世代更寬容、更不受拘束

若說千禧世代有了社群媒體而如虎添翼,Z 世代則需要社群媒體,才能如魚得水。

Z 世代建立關係的對象主要是手機、iPad、電腦,因此他們站在文化潮流的尖端,了解現今當紅時事,簡直是第二天性。

右腦強勢又強大的他們,儘管常聽到長輩仇恨言論喋喋不休,面對與之殊異的文化、族裔、宗教、性傾向,都更為寬容;比起應該做的事,花時間做喜歡的事更自在。

對 Z 世代來說,社群媒體佔了生活得很大一部分。圖/pixabay

Z 世代手藝精巧,對自己下了工夫的創作,引以為傲。他們的四號人格希望種植可食用的健康作物,打造美麗花園,關心清淨的空氣和水源,一心保護地球家園。

電腦對人腦帶來的加速、耗損與壓迫

我們這個社會已經達到人類與科技融合的轉捩點。這麼說好了,儘管大腦是由數百億個互相傳遞訊息的神經元組成,造就的神奇副產物卻是人類個體意識的展現;相形之下,我們有數十億顆大腦互相交流,共同展現人類的集體意識。

再更進一步說,網際網路是由數十億部電腦組成,電腦則透過人腦意識互相連接,結果就是:出現遍及全球的科技意識,而這種意識突破了最狂放的科幻想像。

人類與電腦開始產生這種聯繫之時,是人類建構電腦,影響電腦。然而,現在卻是電腦在影響人腦。

隨著千禧世代與 Z 世代到來,網際網路的追蹤行為司空見慣,我們的上網活動、位置、移動模式、飲食、採買的產品、理財習慣、政治喜好,甚至是我們的臉孔、朋友家人互動程度,都會受到追蹤,手機應用程式會監控、蒐集我們的生物系統資料,提供生活建議。

手機無時無刻不在紀錄我們的一舉一動,甚至影響我們的選擇、行動和思考。圖/Pixabay

科技與人類如今步步走向整合,最終我們不僅賦予科技影響我們想法、情緒和生理反應的能力,也已嘗試植入各種形式的科技和神經微晶片。這點令人既期待又害怕。

生物系統的運作集結了各種負回饋迴路,例如,我餓到肚子痛,吃了東西,痛感就沒了。在此生物系統中,我有欲望,並依這種欲望行事,欲望消止之後,我感覺滿足,該系統就暫歇。

以負回饋迴路為本的系統,有其妙處:可以建立並傳達需求,一旦滿足需求,就能恢復自身的平衡與恆定機制。在恆定機制下,生物系統可以自行休息與補足能量。這些負回饋迴路消耗最少的能量來示警,警報一解除,系統就會暫時關閉,返回節能模式,生命因此得以健康發育。

另一方面,資通訊科技堪稱正回饋系統,不會暫歇或停止運作。此系統愈常運轉(也就是你打電動或瀏覽網頁的次數愈多),系統中設置的誘惑也愈多,以便增加你的點閱數,吸引你付出更多時間與注意力。這些科技全天候運作,會加速我們的神經網路,也會耗損我們的神經網路。

大腦就像電腦一樣,偶爾要清理才不會當機

電腦及網際網路的世界都會持續運作,直到當機、需要修復或更新軟體的時候。然後,該系統會重新啟動,並從上次停止的地方再度開始運轉。電腦驅使我們更賣力工作,更用力玩遊戲,更迅速思考。從認知和情緒方面來看,這些科技正在磨耗我們的生物系統,我們更難抵擋科技癮頭。

科技帶來便利,協助我們提高效率,適當使用的話,也能創造更健康的工作與生活平衡狀態——這些當然無可否認,只是,科技老是鼓勵我們「衝衝衝」,可能造成腦部健康大大受損,也可能粉碎我們與身旁親友的關係。

科技就像是生活的加速器,但也讓我們忘了「停下」。圖/Pixabay

大腦基本上就是人類生命的硬碟,我們成天編譯數十億個 Cookie ——來自電視、手機、社群媒體、以及科技替你量身訂做的健身課表,當然還有工作用的電腦。

人腦就像工作用的電腦,我們若沒有一天清理好幾次垃圾檔案,至少也要每天清理一次,重新啟動大腦,才能呈現最佳效能。若要還原為由負回饋迴路驅動的生物系統,我們必須定期按下暫停鍵,給大腦機會更新、重新校準並執行硬體重設,這也是睡眠如此重要的一大因素。

一天之中找些時間,有意識的與四大人格舉行大腦會議,也享有這種好處。無論我們是否需要接受幫助,或者只是剛好想抱持感恩,擁抱新氣象,我們都有能力選擇想成為什麼樣的人,有能力選擇如何成為那樣的人,有能力扶自己一把。

無論這些世代的差異為何,誠如我在 TED 演講所述:

我們是能量生物,藉由右腦半球的意識互相連結,

形成一個人類大家庭。

而此時此地,我們全都是這個星球上的兄弟姊妹,

來這裡,讓這個世界更美好。

而在這個時刻,我們很完美,我們很完整,我們很美麗。

——本文摘自《全腦人生:讓大腦的四大人格合作無間,當個最棒的自己》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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計算機先驅:巴貝奇與他的小型差分計算機——《資訊大歷史》
azothbooks_96
・2022/07/01 ・3045字 ・閱讀時間約 6 分鐘

查爾斯.巴貝奇

查爾斯.巴貝奇(Charles Babbage),1792 至 1871 年。

1843 年,一位英國數學家提出了分析機原理,這個構思將在一百零三年後由後人付諸實踐,並有了一個為大家熟知的名字——計算機(今日俗稱電腦)。很遺憾,查理斯.巴貝奇終其一生也沒能實現造出分析機的願望,但他依舊是當之無愧的計算機先驅。

直到今天,許多計算機書籍扉頁裡仍然刊載著他的照片,以表紀念。

巴貝奇發明小型差分計算機

一七九二年,巴貝奇出生於倫敦一個富有的銀行家家庭,十八歲進入著名的劍橋大學三一學院,成為牛頓的校友。後來他擔任了牛頓擔任過的「盧卡斯數學教授」職務。在進入大學之前,他就展現出極高的數學天分。

進入大學後,巴貝奇發現,當時英國人普遍接受的牛頓建立在運動基礎之上的微積分,不如萊布尼茨基於符號處理的微積分那樣便於理解和傳播。為了推廣已被歐洲大陸普遍接受的萊布尼茨的微積分,他和其他人一同創辦了英國的(數學)分析學會。

不過巴貝奇並不是一個安分的學生,他一方面顯現出超凡的智力,另一方面又不按照要求完成學業,為此他不得不轉了一個學院,才能繼續學業。在學校裡,他還對很多超自然的現象感興趣。

延伸閱讀:巴貝奇誕辰|科學史上的今天:12/26

如果不是趕上工業革命,巴貝奇或許會尋找某個傳統的數學領域或者自然哲學領域做一輩子研究,並且留下一個巴貝奇定律或者巴貝奇定理。但是,工業革命的大背景,讓他把畢生精力和金錢都投入研究一種能夠處理資訊的機械中。

這也不奇怪,因為工業革命為資訊處理提供了思想上的依據、技術上的條件和廣闊的市場。工業革命是人類歷史上最偉大的事件。它不僅第一次讓人類從此進入可持續發展的時代,也改變了人們的思想。人類從相信神,到今天開始變得自信起來,相信這個世界是確定的、有規律的,而自己能夠發現世界上所有的規律。

早在牛頓時代,著名物理學家玻意耳(Robert Boyle)在總結牛頓等人的科學成就之後,就提出了「機械論」,也被稱為「機械思維」。

提出「機械論」的玻意耳(Robert Boyle)。圖/Wikipedia

玻意耳等人(包括牛頓、哈雷等)認為,世間萬物的規律都可以用機械運動的規律來描述,包括蒸汽機和火車在內的工業革命中那些最重要的發明,都受益於機械思維。人們熱衷於用機械的方法解決問題,從精密的航海導航,到能夠奏樂的音樂盒,再到能織出各種圖案的紡織機。

既然能想到的所有規律都可以用運動規律來描述,那麼就很容易想到讓具有特殊結構的齒輪組運動來完成計算,這便是設計機械計算機的思想基礎。

其實,這種想法早在十七世紀就有人嘗試過。法國數學家帕斯卡(Blaise Pascal)發明了一種手搖計算器——雖然有時人們將它稱為最早的機械計算機,但實際上它和我們今天理解的電腦概念沒有太多相似之處,稱之為「計算器」更為恰當。

帕斯卡計算器從外觀上看有上下兩排旋鈕,每個旋鈕上都刻著○至九這十個數字。在做加減法時,只要將參加運算的兩個數字分別撥到相應的位置,然後轉動手柄,計算器裡的一組組齒輪就會轉動,完成計算。

帕斯卡計算器。圖/Wikipedia

帕斯卡計算器最初只能做加法,後來經過改良, 可以做減法和乘法, 但做不了除法。在帕斯卡之後,萊布尼茨改良了計算器。他發明了一種以他名字命名的轉輪「萊布尼茨輪」,方便實現四則運算中的進位和借位。

到了十九世紀初,經過近兩個世紀的改進,機械計算器已經能夠完成四則運算,但是計算速度很慢,精度也不夠高,而且設備造價昂貴。不過,這種計算器更大的缺陷在於,對於複雜的運算(比如對數運算和三角函數運算)都做不到。

十九世紀機械工業的發展需要進行大量的複雜計算,比如三角函數的計算、指數和對數的計算等。在微積分出現之前,完成這些函數的計算是幾乎不可能的事。

十八世紀之後,歐洲數學家用微積分找到了很多計算上述函數的近似方法,不過這些方法的計算量極大,需要很長的時間,而且當時除了數學家,一般人是完成不了那些計算的。為了便於工程師在工程中和設計時完成各種計算,數學家設計了數學用表,如此一來工程師就可以從表中直接查出計算的結果。

不過,那個時代的數學用表錯誤百出,為生產和科學研究帶來了很多麻煩。而這個問題很難避免,因為手算很難保證完全不出錯。如果很多數學家分別獨立計算,還可以比對結果發現錯誤。但是巴貝奇發現,那些不同版本的數學用表都是抄來抄去,而犯的錯也都一樣。

因此,巴貝奇想設計一種機械來完成微積分的計算,然後用它來計算各種函數值,得到一份可靠的數學用表。當時他只有二十二歲。

延伸閱讀:兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機?巴貝奇與差分機|《電腦簡史》 齒輪時代(十八)

在隨後的十年裡,巴貝奇造出來一台有六位精度(巴貝奇最初的目標是達到八位精度)的小型差分計算機。隨後巴貝奇用它算出了好幾種函數表,用於解決航海、機械和天文方面的計算問題。

值得指出的是,巴貝奇的這次成功受益於工業革命的成就——當時機械加工的精度比瓦特時代已經高出了很多,這讓巴貝奇能夠加工出各種尺寸獨特的齒輪。

但是,當時並沒有二十世紀的精密加工技術,製造小批量特製齒輪和機械部件的成本高、難度大,這給巴貝奇後來的工作帶來了諸多不便。

巴貝奇小型差分計算機的部分模組。圖/Wikipedia

不過,首次成功還是讓巴貝奇獲得了英國政府的資助,用以打造一台精度高達二十位的計算機。

幾年後,他又獲得了劍橋大學盧卡斯數學教授的職位,讓他有了穩定的收入。在此之前,他一直在花自己繼承的十萬英鎊遺產。勝利女神似乎正向他招手,但接下來的時日,他在計算機研究方面一籌莫展。

從表面上看,巴貝奇遇到的困難是因為那台差分機太複雜了,裡面有包括上萬個齒輪的二點五萬個零件,當時的加工水準根本無法製造。但更本質的原因是,巴貝奇並不真正理解計算的原理。他不懂得對於複雜的計算來說,不是要把機器做得更複雜,而是要用簡單的計算單元來實現複雜的計算。

當然,在那個年代沒有人瞭解這些。作為現代計算機基礎理論的布林代數要再等十幾年才會被提出來,而且要再過近一個世紀,才會被應用到計算技術中。

後人根據巴貝奇的設計打造而成的差分機。圖/Wikipedia

——本文摘自《資訊大歷史:人類如何消除對未知的不確定》,2022 年 6 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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