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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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 325 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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發炎性腸道疾病的獵奇療法:來一杯「鉤蟲卵」吧!——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/24 ・2290字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

上一節,我提到了犬蛔蟲,我好不容易才忍住沒有提另外一種寄生蟲:蠕蟲。這類寄生蟲成員眾多,個個都是入侵或躲避免疫系統的行家,牠們有許多花招可以幫助牠們在人體內存活下來、繁榮昌盛。牠們之所以需要這些花招,是因為作為寄生蟲,牠們的個頭太大了,免疫系統不可能看不到牠們。即使是較小的蠕蟲物種,也有幾公釐長,跟病毒或細菌比起來,可謂龐然大物。

蠕蟲感染者的腸道 X 光照片,圖中黑線都是蠕蟲。圖/WIKIPEDIA by Secretariat

在世界上許多較貧窮的地區,由於衛生條件較差,蠕蟲帶來了無盡的痛苦:據統計,世界上約四分之一的人口感染了某種類型的蠕蟲。衛生機構正在嘗試使用預防、清潔的手段和抗蟲藥物來緩解疫情。與此同時,在已開發國家,人們已經成功消滅了蠕蟲疾病。

也許有點過於成功。

免疫反應有幾種不同的形式。我們理解得最透徹的兩種是 Th1 和 Th2(Th 代表輔助 T 細胞,這是一種重要的 T 細胞)。它們的細節比較複雜,但大體畫面是這樣的:這兩種反應處理的是不同類型的感染——Th1 類型的輔助 T 細胞會向吞噬細胞和胞毒 T 細胞發出啟動訊號。聽到「集結號」之後,這些細胞會追蹤並摧毀任何被病毒或特定細菌感染的人類細胞。與此相反,Th2 反應是直接攻擊那些尚未入侵人體的病原體,Th2 細胞會啟動一種叫作嗜酸性球(eosinophils)的免疫細胞,來殺死蠕蟲。只要一種 Th 反應上調,另外一種就會下調。這種機制是合理的,因為這樣可以節約身體的資源,並降低免疫反應的副作用。

TH2 細胞(左)正在被 B 細胞(右)活化。圖/WIKIPEDIA

蠕蟲激發的正是 Th2 反應。有人因此認為,此消彼長,在那些蠕蟲病發病率較高的國家,過敏反應( Th1)的概率恰恰因此更低。(在過去幾十年裡,已開發國家裡出現過敏反應的人越來越多)。流行病調查顯示:蠕蟲越是肆虐,過敏反應就越少。

蠕蟲採取的各種躲避和反擊策略,以及牠們的存在本身,都會對免疫系統產生影響。一個效果就是牠們會抑制發炎反應——要知道,世界上有許多人巴不得他們的發炎反應受到一點抑制呢。

因此,許多患有慢性自體免疫疾病(比如,發炎性腸道疾病)的人現在正在接受蠕蟲療法(用的是鉤蟲),針對其他發炎疾病的臨床治療也正在測試。

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鉤蟲, 被用在慢性自體免疫疾病的蠕蟲療法 。圖/WIKIPEDIA

這聽起來有點怪誕:有人竟希望——不,堅持要——被寄生蟲感染。他們向醫生求助,醫生給他們的藥是一小杯鉤蟲卵,然後他們就喝下去了。在他們的胃裡,這些卵會孵化,幼蟲會爬出來。然後,不知怎的,患者就感覺好多了。當然,鉤蟲不會存活很久(醫生選擇的物種並不會在人體腸道內存活很久,否則就會有新的麻煩了),因此,過一段時間,患者又要接受新一輪的感染,以維持免疫系統的平衡。

當然,如果我們可以不用蟲子(比如使用其中的有效成分,類似某種「鉤蟲萃取物」的藥物)就可以治療疾病,那就更好了。但是,目前還沒人知道到底哪些成分重要——而且似乎要見效,必須要用活的蠕蟲。

為了解釋關於蠕蟲的這個情況,研究人員提出了「老朋友假說」(old-friends hypothesis),這是「衛生假說」的一個改良版。你也許聽說過「衛生假說」,它已經流傳了很長一段時間,但直到一九八九年才由大衛.斯特拉昌(David Strachan)正式提出。他進行的流行病學調查顯示,那些在農場裡或田野邊上長大的孩子要比那些在城市裡長大的同齡人更少患上過敏。從此之後,「衛生假說」就被用於描述許多不同的觀念,其中一些得到了研究支持,而另一些則沒有。

總的來說,老朋友假說的大意是,人類的免疫系統是在一個充滿微生物的世界裡發育的,我們經常要跟許許多多的微生物打交道。我們已經看到了免疫系統跟腸道微生物的密切聯繫,但是這樣的親密關係也可能會擴展到病原體。免疫系統已經對一定程度的接觸和較量習以為常了。現代西方社會,是人類有史以來最愛清潔、刷洗、消毒的階段,我們受感染的機會大大減少——但這破壞了免疫系統的平衡。我們的免疫系統習慣了跟某些病原體對抗,一旦沒有了對手,它就會工作失常。因此,嬰兒和小朋友也許最好要接觸一點髒東西。

現代社會,是人類有史以來最愛清潔及消毒的階段,我們受感染的機會大大減少,但這破壞了免疫系統的平衡。圖/Pixabay

顯然,你不希望你的孩子臉上有霍亂弧菌,雖然研究人員在二○○○年發現結核病對預防氣喘有幫助,但這並不意味著你要讓孩子染上結核。但是「髒東西」裡含有許多常見病原菌的減毒突變株(不再那麼有害),這可能對孩子的身體有益。沒有它們,孩子日後也許更容易患上免疫疾病——比如過敏和自體免疫病。

問題是,要多乾淨才算乾淨,要多髒才算髒呢?抱歉,我真的不知道答案。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田

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麥田出版_96
156 篇文章 ・ 374 位粉絲
1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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