人口普查、打孔卡片、ibm——第一台插电的计算机│《电脑简史》数位时代(一)-pg电子游戏

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人口普查、打孔卡片、ibm——第一台插电的计算机│《电脑简史》数位时代(一)

计算机从齿轮时代迈入新的数位时代,有两个重大变革,一是硬体零件,一是运算方式。硬体改用电子元件取代机械齿轮,运算方式则从类比转为数位化。不过光数位化还不够,还必须从十进位改为二进位,才可以在贮存、运算或传输各方面都达到最佳效果。这过程并非一蹴而成,而是多位先驱——或提出理论架构,或动手发明——辟出不同的进路,最后才汇聚成现代电脑的样貌。

本文为系列文章,上一篇请见:将类比计算机推向颠峰,也为未来科技舖好沃土的凡纳尔.布希│《电脑简史》(二十四)

人口普查统计搞了八年!怎么办?

计算机什么时候开始用电的?上一篇提到凡纳尔.布希与学生于 1926 年发明的「连续积分仪」首度利用电表与可变电阻,但其实这并不是第一台插电的计算机。事实上,早在特斯拉于 1896 年为西屋公司电建立交流电网之前,就已经出现使用电力的计算机了。

1880 年,美国展开十年一度的人口普查。调查员挨家挨户询问各项基本资料,在表格上填写完成后,统一送回华府的「美国普查局」(united states census bureau) 进行各项统计与交叉分析。当时美国人口已超过五千万人,如此庞大的资料全赖人工作业,最后花了八年的时间才处理完毕。

当时美国普查局有个新进的菜鸟叫何乐礼 (herman hollerith),前一年才从大学毕业,在这次普查负责工业数据的统计。他看见局里堆积如山的普查资料,已经可以预见处理起来势必旷日废时,于是与部门主管毕林斯 (john shaw billings) 讨论是否有更好的作法。毕林斯告诉他有一种雅卡尔织布机,利用打孔卡片自动编织图案,或许可以用这样的原理打造一部机器,帮忙统计资料。何乐礼听了记在心里,开始私下进行研究。

何乐礼 (herman hollerith) 摄于1888年。wiki

如果结合打孔纸带与继电器……

一年后,普查计画的主持人转任 mit 校长,回头挖角何乐礼到 mit 机械系任教,于是他只在普查局待了两年,就于 1882 年前往波士顿。何乐礼在 mit 执教之余,仍抽空继续研究自动统计的机器,不过教学工作远比他想像的繁重,于是过了一年他就辞去教职,到华府的专利局工作。如此一来他有更多时间来设计机器,也可以顺便学习如何为自己的发明布局专利。

1884 年,何乐礼提出第一项专利申请。在这个原始设计中,何乐礼用的是打孔的纸带,纸带上每一排有 26 格,借由在不同位置打洞,来代表一个人的年纪、性别与人种。其中年纪就占了 20 格,十位数与个位数各有 10 格代表 0 到 9,在其中两格打洞表示岁数,因此只能记录 00 到 99,百岁人瑞就没办法了。

纸带通过滚轮时也会经过一排电刷,有打洞的那几格,电刷会接触到纸带下方的金属而构成电流回路,对应的继电器随之启动(里面的电磁铁通电后,产生磁力吸引金属条移动),带动计数器。整卷纸带全部跑完,各项数字也就自动累加完毕。这就是史上首度使用电流的计算机——不过它只停留在设计图的阶段,并没有真的制造出来。

打孔卡片取代纸带,租赁合约取代买断

因为何乐礼很清楚这样一部机器仍无法应付人口普查。纸带能再增加的宽度有限,所承载的资讯量远远不及普查的项目。此外也无法再进一步分类统计,例如不同性别或不同人种的年龄分布。因此何乐礼将专利申请送出去后,立即着手改善,最后他从当时的火车票得到灵感,用打孔卡片取代纸带,一张卡片记录一个人,便能放进更多个人资料。

何乐礼设计的打孔卡片。wiki

同时他改用矩阵式的探针穿过卡片上的洞,与孔洞下方的水银凹槽接触,就可以从特定组合的电路得出对应项目的分类统计;若要做不同项目的统计分析,只要更换不同的探针头就可以了。此外,何乐礼还装设了卡片归类匣,共有 22 格。卡片经过探针头后,电子讯号同时打开它应归类的格子,操作人员就知道这张卡片应该放置何处,不需要再靠人工判读比对。

1886 年,何乐礼完成了改良后的原型机,取名为「何乐礼电力制表系统」(hollerith electric tabulating system)。经由毕林斯的协助,这部机器获得巴尔的摩公共卫生署 (baltimore department of health) 用来做死亡统计,取得不错的成效,于是随后纽泽西州以及纽约市的公共卫生署也陆续采购使用。从巴斯卡以降,多少计算机先驱充满期待却无法达成的事——计算机的商业化,终于在何乐礼手中达成。

这当然要归功于何乐礼结合打孔卡片与电流控制,让计算机展现巨大的效能。但除了技术因素之外,还有一个成功关键在于新的商业模式。何乐礼并不是直接将机器卖给客户,而是透过西屋电气这样的大公司提供租赁服务,让客户每月支付租金即可。如此一来客户就不会因为购置金额庞大而裹足不前,何乐礼也能取得资金专心研发,瞄准最大的目标—— 1890 年的人口普查。

人口普查大放异彩,商用市场势如破竹

其实何乐礼根本没有对手,另外两家参与标案的厂商仍是用人工作业,测试成绩远远落后,因此美国普查局毫不犹豫地选用何乐礼电力制表系统。结果这次只花了六年就处理完毕,虽然只比上次缩短两年,看起来不多,但其实美国人口已成长到将近六千三百万人,比十年前增加了四分之一。

此外这次调查的项目也变多了,资料量大幅增加下,却用更少的人力在更短的时间内完成(其实大部分的人力与时间都花在前置作业,他们得先将回收的调查表制成打孔卡片),已足以证明何乐礼这部机器确实有极大的效益。

用于1890年人口普查的自动制表机。wiki

何乐礼十年磨一剑,威震江湖。问题是人口普查十年才一次,在取得下次标案前,难道要喝西北风?何乐礼赶紧寻找新的客户,他发现铁道公司是最佳对象,因为如我们之前在巴贝奇的章节提到,随着铁路不断增建,客运量与货运量快速成长,铁道公司每天都需要大量人力进行结算。如果获得铁道公司采用,就可以带来稳定的收入。

不过原来针对人口普查设计的机器只能算是加法器,而铁道公司进行结算时,加减乘除都会用到。因此何乐礼将莱布尼兹的步进滚筒整合进来,原本滚筒表面九根突起长条是以机械方式带动齿轮,改成接触导电而启动继电器,便能同样用电流完成四则运算。何乐礼顺便装设了自动输送卡片的机制,就不需靠人工一张一张的放进卡片。此外,他还从 ... 交换总机获得灵感。当时仍是靠人工将 ... 线路在「插接板」(plugboard) 上插拔来接通 ... ,何乐礼也在探针头上加装插接板,如此不用更换探针头就能切换不同的交叉统计。

何乐礼终于在1896 年九月,获得纽约铁道公司同意采用这部全新的「整合制表机」(integrating tabulator)。有了这家全美第二大铁道公司的合约,何乐礼在三个月后就放胆创业,成立「制表机器公司」(tabulating machine company)。他不但再次赢得 1900 年人口普查标案,而且到了 1908 年,他的公司已经有三十家大型客户,除了铁道公司,还有寿险公司、公家机构,以及制造业。

公司合并诞生 ibm,影响电脑发展一世纪

不过事必躬亲的何乐礼也因为业务扩张而健康亮起红灯,于是在一位金融家的规划下,于 1911 年让公司与另外三家分别制造时钟、打卡钟,与精密磅秤的公司合并为「计算—制表—记录公司」(computing-tabulating-recording company,简称c-t-r)。何乐礼本身转任技术顾问,继续为新公司效力十年才功成身退。

1924 年,c-t-r公司更名为定位更明确、更具雄心的名称:「国际商业机器公司」,也就是我们现在熟知的 ibm (international business machines corporation)。

ibm的前身——“computing-tabulating-recording company” 。wiki

虽然公司名称用的是「商业机器」,但如我们所见,百年来ibm 一直都是以计算机为事业核心。这当然都源自于何乐礼的发明与开拓出来的商用市场,在他奠定的基础上,ibm继续成长茁壮,不断在电脑的发展上扮演举足轻重的角色。

除了孕育出 ibm,何乐礼对于电脑的技术创新也做出直接的贡献。是他率先引进电力,开启计算机从机械式转向电子式之路;是他率先将打孔卡片实际用于计算机(虽然是巴贝奇最早提出,但毕竟他的分析机从未建造出来),引领后世继续使用打孔卡片将近一世纪;也是他率先将插接板用于变更运算,而为后来的可程式化计算机仿效。

虽然何乐礼的自动制表机与现代电脑还有一大段距离,但是计算机能跳脱窠臼,往现代电脑迈进,何乐礼绝对居功厥伟。

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