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
本文由“科普中國”出品,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
標(biāo)簽: 工業(yè)革命 自動(dòng)計(jì)算 機(jī)械結(jié)構(gòu)
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