计算机发展的启示

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计算机发展史实际上是一个人类生产力进步的历史。从史前到公元17世纪为止,人类在这一阶段在创造了文字、原始计数方法(结绳、象形文字),发明了算筹、算盘、计算尺、印刷术等重要技术。算筹、算盘和计算尺等现在看来虽然简单,但促使人类产生了用更快计算方法解决数学计算的要求;印刷术的作用则是大大加快了人类知识的积累和传播速度,使记忆技术转化为可以独立于人脑本身,并孕育了现代电脑的最初设想。计算机发展的孕育阶段,我们中国古代文明对世界做出了十分重要的贡献。技术方面,我国汉代的蔡伦和宋代的毕升分别发明了世界上最早的纸张和活字印刷技术,给人类使用纸书籍创造了条件。纸书籍技术是人类了不起的记忆技术成就,对促进人类走进工业文明,起了一个极其关键的作用。如果说我国古代技术文明为计算机的诞生起到了间接的推动作用,那么公元前12世纪的伏羲八卦,与现代电脑的基本计算方法二进制,则是具有直接的关联性。

图 10 易经的伏羲八卦和二进制

计算机二进制的发明,也与中国传统的两仪有关。我国在二进制方面的贡献,主要是上古伏羲八卦。伏羲氏由神示而演绎八卦的故事,一直是中国民间流传的重要神话。“上古伏羲时,龙马负图出于河,其图之数,一六居下,二七居上,三八居左,四九居右,五十居中。伏羲则之,以画八卦”,“伏羲坐于方坛之上,听八风之气,乃画八卦”。伏羲八卦后来演化成《周易》,是一部占卜和历史相混合的著作。八卦受到重视,在于其记数方式。它用虚线和实线构成其基本单位“爻”,虚线叫做阴爻,实线叫做阳爻,对照二进制,则分别代表0和1。请看八卦改成二进制和十进制的数值关系表,如图7-10所示。图中八卦从“坤”到乾的基本卦,又可以两两相爻组成六十卦。《周易》就是围绕六十四卦而写成的。《周易》后来由于被巫师们奉为经典著作,渐渐被人们误解为算命书,这是中国文明史上一种愚昧造成的悲哀。

我国古代文明与计算机相关的另一个典范是算盘。算盘公元前600年我国就已出现,到了13世纪前后的唐宋时代已广泛应用。现代电脑采用二进制,算盘也是。算盘珠上位和退位,就分别代表1和0。计算完毕,结果留在算盘上,这就等于算盘有了记忆功能。珠算还有口诀,如“二上三去进五”等。对照现代电脑的程序指令,珠算口诀不正是算盘的程序吗?算盘从13世纪以来,中国人熟练使用了近700年。如果中国人利用算盘的奇妙构思,将手动转化为半自动,那么第一部机械计算机也许就在中国产生了。可惜中国明清以后的社会环境,抑制了科学技术的发展。

从16世纪开始,到20世纪初,人类在这一阶段主要发明了手摇计算器和卡片孔计算器。在这一阶段,具有开创性成就的科学及科学思想家主要在欧洲,美国后来居上,把机械计算器技术发展到极至水平。中国在这时期因为落后封建王朝的黑暗统治及随之而来的战乱和被国外列强侵略等原因,成为机械计算器技术的缺席国家。这一阶段主要的成就是产生了现代电脑技术的初步构思,并建立了程序控制的初步理论。

从20世纪初到五十年代末。人类开始以电子技术代替机械技术,研制成功以电子管为基本元件的初级现代电脑,即电子管计算机。电子管计算机的具体科学实验,主要由美、德、英等国完成,美国在技术制作方面进一步领先于其他国家,但现代电脑的基本构思分别来自匈牙利人诺伊曼和英国人图灵。中国自战乱后,很快加入电子管计算机技术国家,进步迅速。

从1950年代初开始至今。晶体管的发明是晶体管电脑能够成功,并全面影响人类生活的原因,它几乎一夜间淘汰了机械计算机和电子管计算机。这一阶段出现了人类历史上的所谓知识爆炸现象,很多重要的科学成就在这时期得到出人意料的突破性发展,而这些科学技术被突破的一个重要因素又是由于人类不断提高的计算技术的推动。这一阶段,在电脑技术的关键是人类掌握了比印刷术更先进的,只有电脑才能拥有的记忆技术,并且成功地将电脑核心技术集成化,使电脑的体积越来越小,从而产生了个人电脑和网络电脑,同时电脑程序,即软件技术得到全面的发展,它是电脑走进千家万户最深刻的原因。晶体管电脑技术主要贡献国家是美国,不过,这是由于她吸收了世界各国优秀电脑技术人才到美国工作的结果。中国在晶体管技术发展过程中,起点较低,但中国电脑技术专家凭借顽强的意志,仍然在电脑技术进步上取得了不少成绩,尤其在八十年代以后,技术进步非常迅速。

从最原始的伏羲八卦、算盘、Pascal加法器,到差分机、电子计算机,再到晶体计算机,是人类从人工机械到动力机械再到电子器械的跃进。而现在,我们仍面临一个问题。我们的计算机能不能再快些?我们还能不能依靠单一的电子器件加快我们的“大脑”?从历史来看,机械到电子不但是材料的进步,也是思维方式的进步。计算机发展,归根结底是计算思维的传承和发扬光大。计算机的历史就像一个孩子的成长史,他已经经历了少年时期的疯长,进入了青年时期。他还会有下一轮的飞速成长,但是要靠人类的智慧作为营养哺育他。在不久的将来,我们会将计算机变成一个众多学科交叉结合而成的精灵。而到那时,我们相信那个精灵传承和发扬的仍然是计算思维。