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第一台通用型電子計算機——專利糾葛、優劣並存的 ENIAC │《電腦簡史》數位時代(十)

張瑞棋_96
・2020/10/26 ・3482字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

上一章曾說阿塔納索夫在愛荷華大學埋頭苦幹時,外界根本不知道美國中西部也有人在打造數位計算機。既然如此,莫奇利又怎麼會前去造訪,而衍生出日後的專利糾紛?其實,一開始是阿塔納索夫主動結識莫奇利的……。

本文為系列文章,上一篇請見: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)

氣象論文數據太少被拒,發憤打造計算機

莫奇利小阿塔納索夫四歲,與他一樣是物理博士。1932 年取得博士學位後,原本留在母校約翰霍普金斯大學擔任研究助理,但一年後就到位於賓州的烏西納斯學院 (Ursinus College) 擔任物理系主任,雖然是所小學校,但至少是個正式的教職。

1938 年,莫奇利提交了一篇論文,分析太陽表面的活躍程度與大氣電學的關聯性,不料遭到拒絕,理由是所蒐集的數據期間太短。好吧,他是可以取得更多年度的氣象資料重新分析,但這龐大的數據靠他自己一人怎麼可能算得完?於是他先找學生來分擔計算工作,同時一邊研究有什麼自動計算的機器可以代勞。

莫奇利 John Mauchly。圖:Encyclopedia Britannica

莫奇利發現調和分析儀,這個源自克耳文男爵在半個世紀前發明的機械式計算機,專門用來做傅立葉分析,恰恰是他現在最需要的計算工具,因此於 1940 年也打造了一台。結果他在打造的過程中,竟對計算機產生了高度興趣,開始密切注意是否有更新的技術。

莫奇利參觀了 IBM 最新的商用計算機,也參加 1940 年 9 月在達特茅斯學院舉辦的數學年會,見識史提畢茲展示複數計算機的功能。他還去了解物理學家研究宇宙射線所用的二進位計數器,這是用真空管做成的儀器,專門計算放射性粒子的數目。莫奇利試圖也仿造其邏輯電路,但買不起真空管,只好改用速度較慢,但便宜許多的氖管(灌入稀有氣體氖的燈管)。

愛荷華之行與賓大密集課程,學會設計邏輯電路

1940 年 12 月,莫奇利受邀到美國科學促進協會 (American Association for the Advancement of Science) 舉辦的研討會,發表他終於修訂完成的氣象學論文。莫奇利在演講中提到自己打造的調和分析儀,恰巧阿塔納索夫也在台下聆聽,便在演講結束後主動找莫奇利攀談,提及自己正在打造的真空管計算機(也就是日後的 ABC 電腦),並邀請他來愛荷華參觀。莫奇利第二年暑假驅車前往,就此埋下日後的專利糾紛。

莫奇利從愛荷華回來後,隨即趕赴賓州大學的摩爾電機學院,參加一項為期十週的電子學課程。這是由美國戰爭部 (1949 年才改為國防部) 出資委辦的密集課程,目的在於訓練出更多電子工程師,好為日益擴大的二次大戰戰事做好國防準備。如之前提過,摩爾電機學院與美國陸軍素有淵源,一直為陸軍分析各式火炮的彈道並製作「射表」 (Firing Table),自然成為承辦大學之一。

莫奇利在這課程習得邏輯電路的知識,不但如此,還找到一位志同道合的夥伴艾科特 (J. Presper Eckert)。艾科特當時才 22 歲,仍是摩爾電機學院研究所的學生,卻已多處展現電子工程的長才,包括改善微分分析儀(這是為了分析彈道,而於 1935 年購置的機械式計算機),因此擔任此次課程中的助教。

ENIAC的共同發明人艾科特。圖:WIKI

更棒的是,摩爾電機學院有個現成的教職給莫奇利。雖然這只是個講師的職位,和他目前系主任的頭銜比起來差很多,但對於一心想打造計算機的莫奇利而言,留在這裡一定有更多實作磨練的機會,而且又能與艾科特切磋,因此他仍欣然接受,於 1941 年開始在摩爾電機學院任教。

美國參戰急需大量射表,莫奇利提案真空管計算機

美國於 1941 年底參戰後,陸軍急需更多火炮的射表。眼見摩爾電機學院的進度大幅落後,陸軍特地另外招募了一百多的女性計算員,分成兩班輪流操作微分分析儀,卻仍跟不上前線的迫切需求。1942 年 8 月,莫奇利向校方提交了一份備忘錄,直指機械式的微分分析儀先天不足,建議使用真空管打造電子式計算機。

他在備忘錄中舉真空管計數器可達每秒十萬次為例,主張用電子計算機計算彈道,無論是速度或正確性,都會遠勝於機械式的微分分析儀。然而這份備忘錄並沒有得到校方重視,所幸不久後陸軍中尉高士汀 (Herman Goldstine) 被派來摩爾電機學院,才挽救了莫奇利的夢想。

高士汀原本是密西根大學的數學教授,擅於彈道學的分析,遂被徵召進陸軍的彈道研究實驗室 (Ballistic Research Laboratory)。1942 年秋,他被派往摩爾電機學院,負責提升射表的產能,但過了半年仍一籌莫展。這是因為男性多已入伍,而當時懂數學的女性又相當有限,已無法再增加計算員的人力。因此當他 1943 年初獲知莫奇利的備忘錄後,立即找來了解。他研究後,相當認同電子計算機可大幅提升計算速度,解決射表產出不足的問題,因此決定促成此事。

高士汀努力奔走的同時,莫奇利也找來艾科特補強備忘錄中的技術細節,並將標題改為《電子式微分分析儀的報告》。 1943 年 4 月 9 日,向軍方高層簡報後,成功獲得批准,經費很快就核發下來。

ENIAC——第一部通用型電子計算機問世

六月初,「電子數值積分儀暨計算機」(Electronic Numerical Integrator And Computer,簡稱 ENIAC) 的開發正式啟動,經過兩年半才打造完成,共耗費近五十萬美元(相當於 2020 年的七百萬美元)。完成後的機器重達 27 噸,由 30 個高二米四的機櫃組成,加起來有 30 公尺長,塞滿了 50 坪房間的牆面;IBM 的 ASCC 與之相較猶如小巫見大巫。

安裝於摩爾電機學院的 ENIAC,相片中間即是高士汀。圖:WIKI

ENIAC 的真空管多達 17,468 個,主要用於運算單元與記憶單元,不過運算方式仍是採十進位,而不是二進位。輸入方式有兩種,數據與常用的函數表是用 IBM 現成的打孔卡片機制輸入,然後暫存到記憶單元;程式則跳過打孔卡片,直接用纜線連接控制單元的不同插孔,再調整開關與計數器完成設定。用這種方式輸入程式與數據,是為了完全發揮真空管的優勢,不被讀卡的機械動作拖累。

ENIAC 果然不負眾望,運算速度可達每秒 5,000 次加法或 357 次乘法,不僅超過貝爾實驗室與 IBM 用繼電器打造的計算機百倍以上,也遠勝於阿塔納索夫的 ABC 電腦。用 ENIAC 分析彈道當然也比微分分析儀快多了,只不過當它於 1945 年 11 月啟用時,二次大戰早已結束,原本建造的初衷為了製作射表,如今已不需要了,這簡直就是莊子寓言所說的:花了三年學會屠龍之技,卻無所用其巧。

所幸 ENIAC 是一部可程式化的通用型電腦,軍方仍能在其它方面用到它龐大的計算能力──例如氫彈的模擬計算,因此它還是一直運作到 1955 年 10 月才退役。

二戰結束後創辦公司,電腦專利遭判無效

對莫奇利與艾科特而言,二次大戰結束反而是他們事業的開始。1946 年 3 月,他們兩人一起離開賓州大學,創辦「艾科特─莫奇利電腦公司」,並將 ENIAC 的相關技術申請專利。

這份專利直到 1964 年才獲准,但因為他們的公司早在 1950 年就賣給雷明頓蘭德公司 (Remington Rand),而這家公司五年後又遭另一家公司併購,專利也就歸屬於合併後的斯佩里蘭德公司 (Sperry Rand) 所有。斯佩里蘭德取得專利後,開始向其它電腦公司索取授權金,Honeywell 不願支付,雙方於 1971 年鬧上法庭。

阿塔納索夫因此才以證人身分出庭,證明莫奇利從他這裡獲知數位電腦的相關技術。最後法官認定莫奇利與艾科特的發明衍生自阿塔納索夫的設計,於 1973 年判決專利無效。

ENIAC 突顯舊思維的缺陷,促成現代電腦的出現

其實 ENIAC 與阿塔納索夫的 ABC 電腦有著根本性的不同。雖然兩者都用真空管,但 ENIAC 的用法卻是當成計數器,以傳統的十進位計算,而不是像 ABC 那樣當成二進位的邏輯閘。ENIAC 這樣的設計比起 ABC,反而又倒退了一步。當然 ENIAC 是通用型電腦這一點,比只能解線性方程式的 ABC 強多了,不過要靠插拔纜線、切換開關的方式設定程式實在太過麻煩。

ENIAC 的程式設計師須以插拔纜線、切換開關的方式設定程式。圖:WIKI

無論如何,ENIAC 的確是件劃時代的作品,它將計算機的運算能力提升了兩三個數量級以上,而且還能變換程式做各種運算。因為它的成功運行,而帶動了更多打造通用型電腦的計畫。

另一方面,它的諸多缺點也突顯了舊思維的設計亟待改善,新的電腦立即針對這些缺陷重新設計,因而又往現代電腦更邁向一大步。而在其中扮演關鍵角色的正是從數學、物理、經濟學,乃至 DNA,都有卓越貢獻的全能型天才──馮紐曼。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 355 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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》