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)

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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關於作者

張瑞棋

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。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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