《三體》中的人列計(jì)算機(jī)看不懂？沒關(guān)系，先來看看這個(gè)！

看過《三體》的朋友們，一定還記得那個(gè)架空名場面——馮·諾依曼讓秦始皇安排三千萬個(gè)士兵組成的人列計(jì)算器。通過士兵舉黑白旗顯現(xiàn)的信號(hào)代替了二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算。

(資料圖片僅供參考)

圖片來自《三體》電視劇截圖

別緊張！不用你現(xiàn)在就理解與、或、非門的邏輯門電路。我們往大了看看計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。

拿一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算器的各個(gè)硬件部分來具象，就能很好的做一個(gè)對(duì)應(yīng)。

輸入設(shè)備，譬如鼠標(biāo)、鍵盤等；

控制器和運(yùn)算器，往往合稱為中央處理單元，即 CPU（Central Processing Unit）等；

存儲(chǔ)器，顧名思義，是我們常說的內(nèi)存條和硬盤等；

輸出設(shè)備，顯示器、打印機(jī)、音響等。

這一套硬件組成系統(tǒng)被稱為馮·諾依曼體系，由這位數(shù)學(xué)家冠名創(chuàng)立。但并非他憑空想象而成，而是總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)所得。因?yàn)?，在電子?jì)算器普及之前，還經(jīng)歷了手動(dòng)計(jì)算器和機(jī)械計(jì)算器的時(shí)代。馮·諾依曼也沿襲著「路徑依賴」這一創(chuàng)造規(guī)則，簡稱踩著巨人的肩膀前行。接下來，咱們就一探究竟。

朋友，請(qǐng)舉例一款計(jì)算器，要是你腦子里立刻想到的！

我想，大多數(shù)人腦中浮現(xiàn)的都會(huì)是下圖這種長相的電子計(jì)算器，帶電的，能自動(dòng)計(jì)算。只需要用按鍵輸入數(shù)據(jù)和運(yùn)算法則，結(jié)果會(huì)自動(dòng)輸出到一塊電子屏上。常見到不起眼……

圖蟲創(chuàng)意

如果你湊巧最近還看了點(diǎn)古裝劇，腦中應(yīng)該還會(huì)想到噼里啪啦打得精妙的算盤。使用算盤進(jìn)行計(jì)算，全由人手在扒拉算珠操作，計(jì)算過程靠的也還是我們?nèi)四X在記背的珠算口訣，而算珠排布的變化展示的則是其中的寄存結(jié)果。這一類屬于手動(dòng)計(jì)算器，可做不到自動(dòng)計(jì)算。

不賣關(guān)子了。這篇文章，我們就聊聊介于這兩者之間的機(jī)械計(jì)算器。

01

機(jī)械計(jì)算器的現(xiàn)代身影

第一次工業(yè)革命的代表是用機(jī)器取代人力、畜力，人類進(jìn)入機(jī)器時(shí)代。第二次工業(yè)革命的代表是電力的大規(guī)模應(yīng)用，我們進(jìn)入了電力時(shí)代?，F(xiàn)在我們處在第三次工業(yè)革命，各類信息技術(shù)和科技創(chuàng)新帶來的現(xiàn)代便利中，更直白點(diǎn)，我們處于一種只一眼是看不懂事物原理的時(shí)代。

而計(jì)算器的發(fā)展也跟著上面的時(shí)代潮流在發(fā)展，經(jīng)歷了三個(gè)階段，從手動(dòng)計(jì)算器到電子計(jì)算器，這中間還經(jīng)歷過機(jī)械計(jì)算器的階段。只是這個(gè)階段已經(jīng)被「日新月異」掉了，甚至讓人覺得好像從未展現(xiàn)在我們面前？畢竟，四十歲以下的朋友們出生時(shí)，周圍身邊物品全帶電了……我說的是電力。

然而，實(shí)際上我們所有人的身邊，都還有機(jī)械計(jì)算機(jī)殘留的熟悉身影。不信就來看看？

02

后期的機(jī)械計(jì)算器

我們先來看一款在機(jī)械計(jì)算器時(shí)期比較后期的機(jī)器 Divisumma 24，它能以每分鐘 250 次循環(huán)的速度依次快速加、減、乘、除運(yùn)算。這臺(tái)由 Marcello Nizzoli 設(shè)計(jì)的機(jī)器于 1963 年 9 月開始在意大利被 Olivetti 公司大批量生產(chǎn)制造。選它介紹的原因，是這臺(tái)機(jī)械計(jì)算器在上個(gè)世紀(jì)七十年代的市場上足夠成功——共生產(chǎn)了約 600 萬臺(tái)，也是該公司在全世界銷量最多的機(jī)械計(jì)算器型號(hào)。

正因?yàn)槭菣C(jī)械計(jì)算器時(shí)期比較后期的產(chǎn)品，這臺(tái)機(jī)械計(jì)算器并非是完全的純機(jī)械設(shè)計(jì)，需要外接一個(gè)下圖最右側(cè)的 70 瓦蝸桿電機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整機(jī)內(nèi)部沒有電路板，也沒有傳感器，沒有任何什么高科技到令人看不懂的現(xiàn)代元器件。有的只是齒輪、彈簧、連動(dòng)桿等共約 3800 個(gè)機(jī)械零部件在相互配合著完成工作。這也說明，在它閃亮登場的時(shí)代，這樣的機(jī)械工藝水平已然登峰造極。

圖片來自 Multyplus1

操作時(shí)，我們只需要輸入要做計(jì)算的數(shù)字，然后計(jì)算的不同階段和輸出結(jié)果，都會(huì)分成兩種不用顏色的墨水被打印到機(jī)器上方的一卷紙帶上。下圖我們可以通過觀察機(jī)器的計(jì)算時(shí)間，感知到這臺(tái)機(jī)械計(jì)算器在不同運(yùn)算法則下的計(jì)算速度。比如 12 加 45，這個(gè) 57 的計(jì)算結(jié)果幾乎是立刻就被輸出到紙帶上。而 45 乘 78 的運(yùn)算結(jié)果 3510 卻需要停頓一陣。

圖片來自 Angelo

以下視頻是 1962 年 Divisumma 24的組裝視頻，攝錄后用來給工廠的組裝人員培訓(xùn)使用。3800 個(gè)零部件的組裝，即便是二十一世紀(jì)的現(xiàn)代人，也不能毫無痛苦地看懂……忍不住要發(fā)出「什么樣的頭腦，能設(shè)計(jì)出這種東西」的感慨。

視頻來源：Archivio Nazionale Cinema Impresa

03

相似的打字機(jī)

看到這里，仔細(xì)觀察的你有沒有發(fā)現(xiàn)這臺(tái)機(jī)械計(jì)算器，似乎和打字機(jī)有一些相像？一樣的按鍵下壓作為輸入，一樣的紙帶打字輸出結(jié)果。說出你的大膽推測？對(duì)，它們在設(shè)計(jì)上確實(shí)一脈相承！工程師 Camillo Olivetti 在 1908 年初創(chuàng)以姓氏命名的公司 Olivetti 時(shí)，最初生產(chǎn)的就是打字機(jī)。

我們不妨來看看這同一家公司在 1950s 生產(chǎn)的 Olivetti Lettera 22 打字機(jī)，作為那個(gè)年代最具標(biāo)志性的打字機(jī)之一，還在 1959 年被美國伊利諾伊理工學(xué)院選為過去 100 年最佳設(shè)計(jì)產(chǎn)品。而這款打字機(jī)也由 Divisumma 24 機(jī)械計(jì)算器的設(shè)計(jì)師 Marcello Nizzoli 進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果你有機(jī)會(huì)去紐約的 MoMA，也就是現(xiàn)代藝術(shù)博物館（Museum of Modern Art），還能看到這款永久收藏品。

圖片來自 YEGTypewriters

04

設(shè)計(jì)趨同

如此相似的設(shè)計(jì)，就要說到設(shè)計(jì)方法上的一種現(xiàn)象——設(shè)計(jì)趨同。有時(shí)為了減少使用者的認(rèn)知成本，能快速的適應(yīng)一種新產(chǎn)品，商業(yè)設(shè)計(jì)的一些功能和布局會(huì)呈現(xiàn)趨同化。除此之外，這也減輕了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新壓力，對(duì)于工廠的大批量生產(chǎn)來說也減輕了開模和工人組裝的負(fù)擔(dān)?？梢哉f是設(shè)計(jì)史上的前人栽樹，后人乘涼。

也正是因?yàn)樵O(shè)計(jì)趨同，即便是被科技飛速發(fā)展逐漸淘汰的奇思妙想，已然分不清究竟是誰模仿了誰，但總還能發(fā)掘出曾經(jīng)的技術(shù)遺跡?，F(xiàn)今，上圖這類機(jī)械打字機(jī)已經(jīng)很少有人在使用了，但我正敲擊著的鍵盤和顯示器上呈現(xiàn)的文字，不正以電子計(jì)算機(jī)這一另外的形式，延續(xù)著它曾經(jīng)存留世間的痕跡嗎？

05

早期的機(jī)械計(jì)算器

我們看過了后期的機(jī)械計(jì)算器，被它的精妙結(jié)構(gòu)所震撼，趕緊來看一款早期的機(jī)械計(jì)算器平復(fù)一下心情。時(shí)間往前倒推 300 余年，一款 1642 年由布萊茲·帕斯卡發(fā)明的滾輪式加法器，也被稱為帕斯卡計(jì)算器。這款機(jī)械計(jì)算器，可以直接對(duì)兩個(gè)數(shù)字進(jìn)行加減運(yùn)算。

那一年，發(fā)明者年僅 19 歲，初衷只是為了減輕作為稅務(wù)官的父親的工作量。帕斯卡這個(gè)名字是不是有些耳熟？我們在初中科學(xué)課上學(xué)過的壓強(qiáng)單位帕斯卡（Pa），也是因?yàn)樗慕艹鲐暙I(xiàn)而以他的名字命名。這是一位科學(xué)史上杰出的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家、氣象學(xué)家……

來看下圖的實(shí)操，正在撥動(dòng)下方的轉(zhuǎn)盤依次輸入兩個(gè)數(shù)字，要進(jìn)行加法或減法運(yùn)算。

圖片來自 Yves Serra

簡單的看一個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)盤內(nèi)聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部原理。

圖片來自 Colegiul Economic Ion Ghica

不同轉(zhuǎn)盤間的聯(lián)動(dòng)，則是當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)盤的數(shù)值達(dá)到 10，也就是說轉(zhuǎn)了一圈后，這個(gè)齒就會(huì)驅(qū)動(dòng)第二個(gè)齒輪，完成升位。

06

做加法的水表

這個(gè)升位的小機(jī)械結(jié)構(gòu)，你應(yīng)該會(huì)非常熟悉。水表，其實(shí)就是一種二十一世紀(jì)還在使用的機(jī)械加法計(jì)算器，只是現(xiàn)在自動(dòng)計(jì)算的是你家的用水量。

我們來看一個(gè)速度式水表拆解后的下層，找的圖源自流體力學(xué)的模擬資料。所謂的速度式水表，就是機(jī)械結(jié)構(gòu)通過水流速度的快慢推算你的用水量多少。能看到一個(gè)個(gè)模擬水流的小球是先經(jīng)過了濾網(wǎng)，再推動(dòng)腔體中的葉輪旋轉(zhuǎn)。

圖片來自 Tintschl BESt AG (english)

而葉輪上同軸接的齒輪，會(huì)延伸進(jìn)水表的上層。這里面是一成套的減速齒輪組。由它們再驅(qū)動(dòng)讀書盤，步進(jìn)著去顯示做加法。一樣是后一個(gè)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)一圈，完成一次進(jìn)位?？梢哉f齒輪成了這類機(jī)械設(shè)備的心臟。

圖片來自 Tech & Lifestyle

簡單的了解機(jī)械計(jì)算器階段的頭尾兩款機(jī)器。我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)這類機(jī)器發(fā)展的最大限制，已經(jīng)是材料本身，機(jī)械零部件本身的質(zhì)量讓組裝和設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。但也正是因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，賦予了機(jī)械計(jì)算器極高的欣賞價(jià)值，這或許也是人們迷戀「蒸汽朋克」這一科幻題材的原因所在。好在，我們的生活會(huì)一直建立在過去的智慧之上，只是換了一種表達(dá)形式。

參考文獻(xiàn)：

[1]http://www.marcello-nizzoli.com/

[2]https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_690100

[3]書籍《01改變世界》和《運(yùn)籌·機(jī)巧：機(jī)械計(jì)算機(jī)發(fā)明史》

作者｜張金妙 倫敦大學(xué)金匠學(xué)院實(shí)踐設(shè)計(jì)碩士

審核｜王揚(yáng)宗 中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院教授

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標(biāo)簽： 工業(yè)革命 自動(dòng)計(jì)算 機(jī)械結(jié)構(gòu)