国防科技大学副研究员李小勇为您讲述:计算工具的千年历程

币游国际电子

2021-05-27

图①:算盘;图②:算筹;图③:计算尺;图④:帕斯卡计算机;图⑤:巴贝奇差分机;图⑥:ENIAC原型机。 2021年5月8日,中国科学技术大学潘建伟院士团队公布一则重磅消息:他们成功研制出目前国际上超导量子比特数最多的量子计算原型机——“祖冲之号”,操纵的超导量子比特达62个。

从诞生之日起,量子计算机就备受人们关注。 刚刚入选“中国青年五四奖章集体”的“九章”光量子计算原型机研制团队,创造了用时200秒解决世界上最快超级计算机6亿年计算量的纪录。 量子计算机从哪里来?又要向哪里去?为何人类对计算速度总是孜孜以求?是什么让人们不断推动计算能力的发展?本版将分3期予以探究,今天刊发第一期。 古老的口诀两千年前的“原始计算机”计算机是一个年轻又古老的工具。

说它年轻,是因为我们今天使用的电子计算机在1946年才诞生;说它古老,是因为其蕴含的计算逻辑、计算功能早已为先人所运用。

美国硅谷,世界上最大的计算机历史博物馆入口处立着一块大展板,上面写着“计算机有2000年的历史”。

当前来游览的人们将目光顺着时光轨迹追溯2000年,不难发现,大洋彼岸,一个叫“汉”的王朝,人们正用一种清脆作响的工具进行计算——这便是我们熟知的“算盘”。

“一上一、二上二、三下五除二。

”这句朗朗上口的珠算加法口诀,从上千年前流传至今。 这些口诀就如同计算机的程序,有了这些程序,操作算盘的人就不需要再思考运算过程。

“数字-口诀-结果”,这样的操作模式也与现在计算机“输入-程序-输出”的计算逻辑相一致。 这正是算盘被看作“原始计算机”的原因。

可别小看了这一粒粒清脆作响的算珠。 在中国古代,上至朝廷官府的内库总账,下到升斗小民的收支盘点,都是拨打着算珠算出来的。 在电影《横空出世》中,有这样一个令人难忘的镜头:研究原子弹的关键时刻,偌大礼堂内,上百名科研人员一边对着密密麻麻的数据稿纸,一边拨打着身前的算盘,栗红色算珠奏响了希望的“交响乐”。 或许,电影存在艺术表现手法,但在大国重器研制过程中,这源于东方古国“三下五除二”的口诀,确实立下了汗马功劳。 事实上,人类对于计算工具的使用,较之算盘还要久远得多。

老子《道德经》中记载:“善结无绳约而不可解”“善计不用筹策”。 其中所提到的就是人类利用身边物品来进行计算的两种方式——结绳和算筹。

古代印加人的奇普,是一种由许多颜色的绳结编成的、用于计数或记录历史的工具,是迄今为止发现的最早的计算工具。 古代的算筹,实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子。 计算时,使用者将算筹摆成纵式和横式两种数字,按照纵横相间的原则表示任何自然数,通过不断地重新布棍进行加、减、乘、除、开方及其他代数计算。 值得一提的是,利用算筹,我国南北朝时期的数学家祖冲之,先后计算圆周率,将精确度达到小数点后7位,比西方计算出这一结果早了上千年。 先驱的探索从机械到电子当然,算盘也有其先天弊端:人工拨打难免因疏忽而产生错误。

所以,过去一些会计有时会因两分钱对不上账,要来回拨打一晚上算盘。 而且,面对三角函数、对数等相对复杂的数学运算,算盘也显得无能为力。 17世纪,随着航海、科学研究和工程计算的兴起,人类计算对象和计算内容日趋复杂。

在这样的背景下,计算尺应运而生,并在其后300年里,成为工程师们的标配。 1968年,被国人称之为“争气桥”的南京长江大桥顺利建成,巨量的大桥结构数据就是工程师们用计算尺“拉”出来的。 随着科技不断进步,人类不再满足于人工操作计算工具,开始将目光投向自动计算。 1642年,法国数学家帕斯卡通过机械运转实现简单计算功能,帕斯卡计算机也成为人类第一台能进行加减运算的机械计算机。 通过这台计算机,人们发现,机械或可代替人类的某些思维活动,来实现计算与存储功能。

计算,这项专属于人脑的活动,第一次在机械上得以实现。 在此基础上,德国数学家莱布尼茨于1694年发明了第一台能进行加减乘除运算的机械计算机。 随后的几百年间,科学家们在机械计算机的道路上一路狂奔。 19世纪,英国数学家巴贝奇设计出的差分机,甚至能准确计算出微积分难题。

但遗憾的是,一个“拦路虎”出现了——工艺。

1823年,英国政府出资让巴贝奇制造差分机。 根据设计蓝图,制造这台机器需要25000个零件,其中仅齿轮数就达上万个。

以当时的工艺水平来看,这根本无法制造。 科学有时就像撒满种子的花园,也许会有嫩芽毁于风雨,但总有花朵悄然绽放。

当机械计算机遭遇“瓶颈”后,电子计算机悄然兴起。

1946年,世界上第一台通用电子计算机ENIAC应运而生。 这台重达30吨的庞然大物,第一次将电子元器件作为计算单元。 以今天的眼光来看,这个“大胖子”显得尤为笨拙和臃肿,但它比当时最快的机电式计算机快了1000倍。 到退役为止,ENIAC共运算8万多小时,为氢弹研制、天气预测、风洞开发等做出了卓越贡献。 科学家常常将1946年称为人类文明的一个重要分水岭。

这不仅仅是因为计算机实现了从机械到电子的飞跃,更是因为从此以后,人类进入一个崭新的信息革命时代。

科技的怒放人类进入信息时代这是一个科技怒放的年代,也是一个充满传奇的时代。 在ENIAC诞生之后不到100年,一台又一台大型机如争相怒放的百花般问世:人类研发了第一台实时电子计算机“旋风”计算机、第一台商用“PDP-1”计算机、第一种投入大量生产的“IBM650”计算机……这一切,都发生在极短时间内。

就像摩尔定律中所提到的那样,每经过18个月左右,计算机处理器的性能就会比之前提高一倍。 摩尔定律就如同信息时代的驱动力,在其后几十年里,计算机从装满屋子的庞然大物,逐步进化为仅有沙粒一般大小的纳米计算机;计算速度从每秒几百次提升到每秒几万亿次;从神秘的科研专属,变成人们工作生活中不可或缺的普通工具……现今,电子计算机已进入人工智能时代。

人工智能机的特点是,具有分布式联想记忆,并可在一定程度上模拟人和动物的学习功能。 2017年5月,智能机器人AlphaGo以3∶0成功击败作为当时世界围棋第一人的柯洁。 在强大计算能力加持下,这个被人类造出的工具,在围棋方面已然超越人类。

这不由让人想起英国科学家图灵留给后来人的那个问题:机器会思考么?或许图灵没有想过,这个问题竟成为他留在计算机发展史的一个“彩蛋”,并且在他提出这一问题不到50年时间里就被人类所回答。 随着科技的发展,人类比以往任何时候都站得更高、望得更远。

当我们低头望向所处的文明阶梯,不难发现,其中一个重要组成部分,就是计算工具。 这些计算工具因计算产生,在人类文明史上发挥了巨大作用:算盘拨出农耕文明的繁盛,机械计算机勾勒出第一次工业革命的袅袅蒸汽,而电子计算机以及所衍生的信息技术,让人类真切感受到万物互联……此时此刻,我们应当感谢托起这座阶梯的一个个名字:汉朝的无名氏,用清脆的拨弄算珠的声音,写下人类最古老的计算机程序;美国的冯·诺依曼,在0和1的转换之间,勾勒出现代计算机的基本工作原理;英国的图灵,用“图灵机”设想奠定了计算机发展的理论基石;“信息论之父”香农,用一个公式描绘出信息技术革命的无限愿景……或许,他们不曾想象自己的智慧会对后来文明产生怎样影响,就如同有些事物,我们不必追求它们开出美丽花朵,因为,它们本就是根。 版式设计:梁晨。