《人类科学技术史-360》计算工具的历史发展（下）

计算工具的历史发展（下）
6.继电器和布尔代数

前面介绍的各种计算机，无论是数字式的还是模拟式的，无一不是依靠齿轮和连杆。由于机械运动速度的限制，计算机的运转速度都不可能很快。

要改革计算机，必须应用新的元件，逐步抛开齿轮和连杆。电的利用为新型计算机准备了新颖的元件——继电器，计算机由机械时代进入了机电时代。

1820年，丹麦物理学家奥斯特在上课进行演示时偶然发现，通电导线周围的小磁针会出人意料地发生了偏转。奥斯特第一次揭示出电流周围存在着磁场的物理现象，奥斯特的"电生磁"的发现揭开了电磁学研究和应用的新篇章。

1823年，英国电学家斯特金第一次用裸铜线在一根U型铁棒上绕了18圈，制成了世界上第一个电磁铁。当裸铜线圈通电时，由线圈产生的磁场密集在铁棒中，铁棒变成了强有力的磁铁，吸起了比它自己重20倍的铁块；一旦切断电流，铁棒失去了磁铁的作用，又变成了一根普通的铁棒。

1829年，美国物理学家亨利(1797-1878)制造了更理想的电磁铁。他用绝缘导线代替裸铜线，密密匝匝地绕在铁棒上。这种电磁铁通电后具有很强的磁场。

电能使铁棒具有磁性，断电又能使铁棒失去磁性。利用这种原理，人们研制出了继电器。利用给这种元件通电和断电的办法可以实现整个电路的接通或断开。

继电器问世后，广泛用于电报、电话、无线电，成为一种重要的电器元件。而继电器在现代计算工具中发挥它的重要作用，是在布尔代数建立之后。

布尔(1815-1864)是英国自学成才的数理逻辑学家，着力研究人类思维活动中一些规律性的东西。他创立的布尔代数也称为逻辑代数，为现代计算机提供了重要的理论准备，即奠定了电路设计的理论基础，虽然，这位抽象思维的大师从来没有也不可能考虑到计算机的问题。

1847年，布尔的《逻辑的数学分析：论演绎推理的演算法》出版。他应用通常的代数符号和代数方法研究逻辑问题，奠定了数理逻辑的基础。1854年，布尔的重要著作《思维规律研究》面世。在这部著作中，他成功地将形式逻辑归结为一种代数演算，创立了称为"布尔代数"的现代数理逻辑。

布尔在用数学方法研究逻辑问题的过程中，成功地建立起一种逻辑运算和一套独特的运算规律体系。他用等式表示判断，把推理看作等式的变换。

他的逻辑理论，既可以进行公式推演，又可以对命题取作数值，例如，可以把真命题取作1，把假命题取作0，复杂命题，只要依照有关的运算规律，通过计算，最后再还给复杂命题以逻辑解释。

逻辑代数在布尔之后虽有所改进，但基本轮廓未变。这一理论特别适合于对只有断开、接通两种可能状态的电路系统进行分析和综合。它使具有切断和接通两种状态(可分别用真命题1和假命题0来表示这两种状态）的继电器找到了新的用途，为继电器在计算机中扮演主要角色，提供了理论基础。

发明了莱布尼兹计算器和二进制的莱布尼兹，曾设想制造一种不仅能进行计算，还能检验假设的计算机，他希望建立一种普遍的方法，能"把一切正确的推理归结为一种计算"。显然，在布尔代数建立之前，即人们还不能用数学形式来描述逻辑思维的规律之前，这种愿望是很难实现的。

1910年，荷兰学者埃伦菲斯特首先考虑到用逻辑代数作为分析与综合继电器电路的数学方法。30年代后期，人们开始系统研究用布尔代数设计电网问题。当40年代酝酿复杂的继电器线路或电子线路的自动数字计算机时，数学也已经为它们准备好了线路设计的有力手段。

7.霍勒瑞斯统计分析机——机电计算机的先驱

最早将继电器用于计算机的是统计学家。

19世纪中叶，大批移民来到美国。美国每10年要进行一次人口调查统计，而这种统计十分费工费时，例如，1880年开始的人口调查到1887年还没有给出量终统计结果。统计学家们迫切希望，在1890年进行新的一次人口调查前，能有一种协助进行高速统计的机器产生。人口调查机关向国民征集这种能加快统计的机器。

新的技术总是诞生在最迫切需要这种新技术的地方和最迫切需要这种新技术的年代。有三位统计学家作出了响应。其中两位发明了使用着色卡片进行操作的机器，分类和计算仍使用手工操作。另一位统计学家霍勒瑞斯(1860-1929)则发明了利用穿孔卡片进行操作的机器。这台机器由受压器、继电器、计数器、分类器和电池等组成，电池为机器提供能源。霍勒瑞斯统计分析机将信息用穿孔的办法记录在卡片上，利用弱电流技术识别信息、传递信息、整理信息的计数器仍是机械的。

三件发明送到了美国人口调查局，为了确定哪一架机器更为有效，人们对它们的信息处理能力进行了一场测验。三台机器各自处理了一万个人的各种统计资料。结果，霍勒瑞斯统计分析机运算和统计的速度比另两架机器快一倍。因此，美国1890年人口调查的统计制表工作全部采用霍勒瑞斯机。

这次人口调查共收集了6300万人的调查资料，而且增加了"说英语的家庭数目"等有关项目。所有的调查登记表汇总以后仅一个月，统计制表任务就顺利完成了。

霍勒瑞斯机是机电类计算机的先驱，继电器在此大显身手。获得了成功的统计分析机不久传到加拿大、西欧，还传到了俄国。经过不断的改进，这类机器达到了成套自动统计记录的水平，而且不仅用于人口资料统计，还用于会计业务等，应用范围不断扩大。

不过，这种计算机虽然应用了新型的继电器作元件，却是新中有旧。它仍然沿用机械原理进行工作，齿轮和连杆仍然是它的主要结构。因此，这种机器结构庞大，运转迟缓。要使它趋于完善，还需要用继电器彻底地革掉齿轮和连杆的命。

8.继电器计算机

19世纪30年代，巴贝吉提出了分析机的设计思想，但由于技术上的困难，他研制自动计算机的梦想终未能实现。约一百年后，不断进步的科学技术终于可以无愧于巴贝吉的先进思想了。

德国的年轻工程师朱斯(1910-)第一个利用继电器为重要元件，制成了通用程序控制计算机。1934年，朱斯就开始了计算机的制作研究。当时，他正学习土木工程。在没有人力、财力支持的情况下，他克服困难，依靠自己的力量，于1938年制成了第一台计算机Z－Ⅰ号。这是一台纯机械结构的设备，速度慢，可靠性也差。他决心摆脱机械装置的局限性，采用继电器制造新型的计算机。可是，由于不久后便应征入伍，朱斯改进Z－Ⅰ号、研制新机器的工作不得不因此中断。他的朋友和合作者希莱尔了解朱斯研究工作的重要性，向有关当局递交了一份报告，宣传、说明朱斯研究计算机的意义。

这份报告使朱斯的军役获得免除，并使他的研究计划得到了政府的财政支持。朱斯非常珍惜这样的机会，加倍努力，于1941年建成了Z－Ⅲ号计算机。这是第一台新型的通用程序控制计算机，机器全部采用了继电器，还采用了浮点计数法、二进制运算、带数字存储地址的指令形式等。他把前人关于计算机的一些先进设计思想综合起来，并具体体现在了他的机器中。朱斯的Z－Ⅲ号计算机在计算机发展史上，占有重要的一页。

第二次世界大战中，Z－Ⅲ号被炸弹炸毁。朱斯在战时制造的Z－Ⅳ号放在巴戈里亚省一个农舍的地窖里，被保存了下来。战后，朱斯流亡到瑞士，并把兴趣转移到计算机软件方面。他首先提出了"程序演算"的理论，即现在所说的计算机程序设计，对计算机软件的发展有重要影响。

朱斯研制计算机的重要工作是在第二次世界大战期间进行的，在德国以外，很少人了解他的成果。所以，很长一段时间里，人们以为，美国的霍华德.艾肯于1944年研制的MARK－Ⅰ是第一台通用程序控制计算机。

1937年，艾肯在哈佛大学物理系读研究生。在他撰写的论文中，涉及到解许多非线性常微分方程的问题，用一般的数值近似法来求解，工作量将非常大。为此，艾肯试图制造一台求多项式数值的计算机，并进而制造一台可以解决一般数学问题的通用计算机。他的想法得到了美国国际商业机器公司(IBM公司）的资助。当时颇有远见的公司总经理老沃森还于1939年派出四位有经验的工程师与艾肯合作。1944年8月，机电式程序控制的自动数字计算机MARK－Ⅰ研制成功，在哈佛大学投入运行。这台机器的运算速度比以往的计算机有所提高，主要用于科学计算，编制了许多数学用表。研制MARK－Ⅰ期间，艾肯读到了巴贝吉的著作，并建议别人也去了解巴贝吉杰出、深刻的思想。计算机制成后，艾肯在机器说明书上，引用了巴贝吉的一段意味深长的话："任何人如果不接受我失败的教训，还仍然下决心去研制一台把数学分析的全部工作都包括在内的机器的话，我不怕把自己的名誉交给他去作出应有的评价，因为，只有他才完全了解我工作的性质及其成果的价值。"MARK－Ⅰ号采用了3000个普通电话继电器作为主要元件。这种继电器长约1英寸，能在百分之一秒内完成一次开关操作。这台机器处理两个23位数相乘，约需要4.5秒时间。MARKI没有全部采用继电器，其设计实际上不如朱斯的Z－Ⅲ，但影响超过了Z－Ⅲ计算机。

1945年至1947年间，艾肯又领导制造成功一台MARK－Ⅱ号计算机。这台机器全部使用继电器，计算速度和其它性能有新的提高。

与朱斯、艾肯在同一时期，美国贝尔电话实验室的科学家斯棣比兹领导的一个小组也在研制继电器计算机。他们建造的第一台机器在1940年投入运行。这是一台专用机，主要用于电气网络复数计算，因此被称为"复数计算机"，并简称Model－Ⅰ号。Model－Ⅰ号建成后不久，在美国数学学会作了一次成功的表演，但作为一种专用机，其使用范围毕竟有限。从1944年起，以斯棣比兹为首的研究小组又用了3年的时间制造了Model－Ⅴ号通用机。这台机器的性能又有较大提高。

朱斯、艾肯和斯棣比兹的继电器计算机相继研制成功，是人类在计算工具研究中的又一进步。但是，这类计算机的生命，即它们发挥作用的时间在整个计算机发展史上是相当短暂的。由于30年代已经具备了制造电子计算机的技术能力，而且研制电子计算机的努力也几乎同时在进展中，因此，相比之下，继电器计算机在计算速度、构造性能等方面都有许多先天不足之处，已经不能满足高速处理大量信息的要求了。

不过，继电器计算机毕竟在许多方面具有现代计算机的技术特性，它们为早期电子计算机的设计、制造积累了宝贵和重要的经验，同时，也为计算工具的革命性变革准备了技术力量。