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# 数字技术研究

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与控制一样，通信也是在20世纪初的商业环境中临时出现的需求。人们将一沓沓穿孔卡片从一台机器挪到另一台机器。19世纪发明的电报，可用以在公司之间传递信息。电报的早期使用者是铁路系统，其拥有的通行权成为竖立电报线的自然通道。铁路经营者精通摩斯密码，为自己能够精准快速地发送与接收点和线而感到骄傲。早期的航空公司同样如此，他们使用的是广播或“无线”电报。托马斯·爱迪生的诸多发明中，有一个设备是将股票价格打印在“滴答纸带”(自动收报机纸条）上，该名称正是得名于电报的声音。1914年前后，爱德华·克兰施米特(Edward E.Kleinschmidt)将键盘、打印机打印功能与通过电线传输信息的能力相结合(Anon，1977)。1928年，他成立的公司更名为“电传打印机公司”。除了字母表中的大写字母及数字0～9之外，电传打印机公司不太使用其他符号，但它提供了信息处理集成的通信组件。由此它也被应用到我们的文化生活中。电台播音员在播报新闻的时候，听上去会有一种电传打字机的嗒嗒声，这意味着，播音员所读的讯息正是“通过电线传输的”。虽然不太确定，但有传言说，杰克·凯鲁亚克(JackKerouac)将其“垮掉的一代”代表作《在路上》(On theRoad)的手稿转换为一卷电传打字纸。微软创始人比尔·盖茨和保罗·艾伦就是通过一卷卷电传打字带来销售其软件的。在电传键盘为数不多的特殊符号中，有一个@标志，该标志在1972年被用于区分收信人电子邮件名与其使用的计算机系统。因此，我们应当将互联网时代的标志归功于电传打字机。

电报与电传都使用编码，因而都是数字时代的先驱。与之相比较，电话，就像亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)在1876年所展示的一样，是由于人们语音的变化诱发持续变化的电流而实现的。用今天的术语来讲，电话是一个“模拟”设备，因为它是用不断变化的电流来模拟人们语音的变化。与“数字”一样，“模拟”一词也是在二战之后才为人们所常用。电子计算刚出现的前几十年，人们对于这两种途径曾有过争论，但模拟设备还是渐渐销声匿迹了。

我们还可以将电子通信追溯至其他先驱，如广播、电影、电视、高保真音乐再现、影印机、摄影等(见图1.1)。已经有许多人注意到电子通信与我们的文化及世界观有着密切联系，马歇尔·麦克卢汉(MarshallMcLuhan)是其中最为知名的(McLuhan，1962)。一些人观察到了电子通信所产生的效应，如：影印机如何令发行过程民主化，便宜的盒式录音磁带如何在1979年帮助改革派推翻了伊朗国王。如前所述，所有这些先驱几乎都已被数字电子学所淘汰或转型，可惜对于麦克卢汉来说，已来不及将自己的深刻见解付诸实践了。

数字技术研究(世哲手册)

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数字电子计算

审视通信与计算的融合之前，我们不妨先回到电子计算出现的20世纪三四十年代。当时，数据处理与通信设备被集成在一起，发挥出最大效率，形成了一个新的数字电子范式。我们推断，这是因为出现了高速处理信息的更高需求。这种需求可通过修改20世纪初的另一项发明来得以实现，即为广播和电话而发明的“真空管”。虽然用真空管来代替机械部件引发了许多新的问题，不过，通过“电子”可使计算速度接近光速。20世纪30年代中期，几个地区同时出现了一些解决方案，二战期间出现的速度甚至更快，尽管当时都是偷偷摸摸进行的，甚至有时是在没有资金、缺少人力的情况下实现的。

第1章 历史背景

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到了20世纪30年代，在用的机械系统已经极不平衡。在使用穿孔技术的装置中，人们需事先对接下来要开展的工作进行谋划，继而通过操作机器来实施这些计划(Heide，2009)。对于科学家或工程师来讲，操作计算器的人能够相当快速地执行计算，而她(从事此类工作的多为女性)只能是在中间结果为正的时候操作一个序列，在结果为负的时候操作另一个序列。人们需要预先制订好详细计划，以书面形式提交给她。穿孔机器之类器械的操作中时有停顿，表明操作人员需要根据机器的运转状态转向不同的方向。在这类地方工作的人拥有一个职位名称“电脑”，该词在20世纪70年代出版的词典中仍然被列在最前面。人类判断与行为的周期性干预同系统机械化部件的速度和效率并不是同步进行的。

数字概念

1935至1950年间，人们多次尝试平衡这些计算问题，由此产生的故事引人入胜。起初并不顺利，有些就像鲁布·戈德堡(RubeGoldberg)漫画中显示的是整个房间大小的机械设备；还有一些是安装在台面上的中型实验装置。面对战争的压力，许多人对此提出了强烈批评。下面是几个具有代表性的例子。

1934年，纽约哥伦比亚大学的华莱士·埃克特(WallaceEckert)对IBM公司的设备进行了修改，用于完成与自己的天文研究相关的计算工作(Eckert，1940)。他综合了雅卡尔和霍尔瑞斯的方法，使用穿孔卡片进行控制与数据存储。与此同时，哈佛大学的物理教师霍华德·艾肯(Howard Aiken)设计了一台机器，可通过一长条穿孔的打字带指挥运算序列(Aiken，1964)。艾肯的设计日臻成熟，逐渐发展成为“自动程序控制计算器”，在美国海军的资金支持下，经过多年的建设，该机器于1944年在哈佛面世（HarvardUniversity,1946)。

之后，许多人转而研究电子，其中就包括爱荷华州埃姆斯爱荷华州立学院的阿塔那索夫(J.V.Atanasoff)教授，他研究了各种用机械化方式解决大型线性代数方程组系统的方法。这些系统也可通过某个简单明了的操作序列，或者运算法则如果按照这一方法，肯定能有解决方案—来加以解决。但大型系统的解决方法需要涉及很多步骤，靠人力是无法实现的。阿塔那索夫想到了一个办法使用真空管及二进制算法来进行运算。1940年，他向爱荷华州立学院提议建造一台这样的机器，学院给予其一笔中等规模的资助。到1942年，他完成了机器原型，不过机器运行不太稳定。同年，阿塔那索夫被迫离开爱荷华州前往华盛顿，帮助美国海军解决紧急的战时问题。他终究未能造出自己的机器。

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数字技术研究(世哲手册)

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美国陆军支持的一个项目旨在帮助提高大炮的瞄准精确性，由此诞生了一台被称作“电子数字积分计算机”(ENIAC)的机器，该机器于1946年在宾夕法尼亚大学向公众面世。ENIAC使用了18000根真空管，可以说是一个巨大的跨越。ENIAC由约翰·莫克利(John Mauchly)和普雷斯帕·埃克特(J.PresperEckert，这位埃克特与华莱士·埃克特并无关联)设计，使用真空管进行信息存储与计算。但这台机器并非全新的设计(denovo):1941年，莫克利前往爱荷华州拜访阿塔那索夫，在这几天时间里，他意识到使用真空管运行计算是可行的。通过对各种元件进行不同的配置，就能够给ENIAC编制程序。重新编制程序可能需要花费几天时间，但一旦重新布线，ENIAC就能够在几分钟内算出结果。历史学家们不愿将ENIAC称作计算机，他们觉得这个术语应当用于指称更易于编程的机器，但这个首字母缩略词中的“C”代表的恰恰就是“计算机”，而这个术语是由埃克特和莫克利特意选择的，用以唤起人们对曾经操纵计算机器的满屋子女性的记忆。

如果说战争从一开始就阻碍了阿塔那索夫建造高速计算机的步伐，那么在英国，战争所起到的作用恰恰相反。在伦敦郊外的布莱切利园，一种被称作“巨人”(Colossus)的设备的多个复制品于1944年被投入使用。具体细节直到20世纪70年代仍然属于绝密内容。“巨人”其实并非计算器，而是一种用于辅助破译德国编码信息的机器。鉴于文本在当今互联网中的统治地位，我们不妨假设将来某一天，“巨人”或许会再次被启用，只不过，其绝密属性令其无法再获得历史上如此显赫的地位。“巨人”也运用了真空管，使用的是能够遵循符号逻辑规则的基本的二阶电路。

第1章 历史背景

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## PDF_PHYSICAL_PAGE_INDEX=34 | PRINTED_PAGE=10

通常的计算器有10个状态，而这个电路设计只用了2个状态，正是这一简单概念解决了复杂性难题(Randell,1980)。由于“巨人”身上的绝密性，我们难以见识到其如何推动了这场深远的概念突破。阿塔那索夫选择了二进制，也是朝着这个方向努力，可惜他的计划未能完成。不过，另外两项尝试被更好地记录存档，仔细分析这两个案例有助于我们更好地理解这些尝试的重要意义。

1937年，27岁的康拉德·楚泽(KonradZuse)还是柏林亨舍尔飞机公司的一名机械工程师，整天面对繁重的计算工作。他开始着手研究一种机械式计算器来使计算过程自动化。当年6月，他在日记中记下了几条重要事项：

将近一年了，我一直在思考人工脑的概念……我发现，有一些基本算法，能够解决所有的计算与思考过程…而对于每一个需要解决的问题，必须有一个专用大脑，才能尽快地得以解决…(Zuse，1962:44)

楚泽选择了二进制算法体系，因为作为一名机械工程师，他知道使用开关或杠杆的好处在于能够在两个状态中选定其中之一。在他开始谋划设计方案时，他突然有了一个想法，这个想法成为随后出现的数字时代的基础。他认识到，信息的计算、存储、控制及传输的算法事实上都是完全一致的，在此之前，这几项任务仍然是沿着各自的发展轨迹独立进行的。特别是控制功能，直到1937年，该项功能仍然未像其他功能一样实现机械化操作，而按照楚泽的思路，控制功能可以简化为一个(二进制)算法。正是在此基础上，他选择了使用“人工脑”或“思维处理器”等术语，这些术语在当时听来令人惊骇。楚泽觉得自己能够设计出这样的机械装置，通过灵活的重新调整来解决各式各样的问题：有些问题需要更多计算，有些需要更多存储，每一样需要的控制程度又各有不同。简而言之，他设想的是一个普遍适用的机器。一旦选择了以二进制体系作为设计基础，剩下的事情似乎便顺理成章了。

楚泽将这个发现告诉了某位数学教授，结果被告知，他所声称的“发现”已经被著名的德国数学家戴维·希尔伯特(DavidHilbert)及其学生想到了[英国人乔治·布尔(GeorgeBoole)提出的相关概念还要更早]。但事实并非全然如此：希尔伯特想到了算法与二进制逻辑的联系，但他并未将这一理论应用到计算机的设计中（Reid，1970）。此前一年，即1936年，英国人阿兰·图灵(AlanM.Turing，1912—1954)完成了这项工作，他在《伦敦数学学会会志》(Proceedings of the London Mathematical Society)上发表的 36 页报告中发布了这一成果(Turing，1936)。所以，虽然楚泽大胆地将理论数学引入到计算器的设计中，而图灵则采取了相反但同样大胆的步骤，将“机器”概念引入理论数学期刊的报告中。

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图灵描绘了一种用以解决数学问题的理论机器。虽然他的文章得到了数学家们的肯定，但是真正将图灵推上数字时代创始人位置的，还是其建造的这个“机器”(Petzold,2008)。“机器”一词之所以要加引号，是因为图灵并未建造任何硬件，他只是在其论文中描绘了这样一台假设中的设备。如今，人们已无法在现代计算机上模拟“图灵机”，因为图灵机拥有一条可无限延长的记忆带。但这并不要紧，他描绘的那台机器，以及用以解决问题的方式，是人类首次对数字计算机的基本特性进行的理论描述；也就是说，构造正确的计算机，在经过编程后，能够执行无限次运算就像人们在现代智能手机上看到的无限多“应用”一样。工程师楚泽认识到了这些内容，而图灵则赋予其形式。在加载了适当的程序后，计算机就变成了一个“专用大脑”，可以完成程序员希望其完成的各项任务。

工程师们用了约15年时间才将硬件发展到与这些理论相媲美的状态。1950年之前，让一台数字计算机毫无纰漏地连续工作几小时就算是一项重要成就了。不过，图灵的深刻见解产生了重大意义。到了20世纪40年代末，在最早一批机器开始工作之后，工程师与数学家之间就计算机设计展开了一场激烈的争论。这些争论中浮现出一个概念，即众所周知的“存储程序原理”，该原理将图灵的观念扩展到实用机械的设计中。这一概念应当归功于匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann,1903—1957)，他曾与埃克特及莫克利在宾夕法尼亚大学共事(Aspray，1990)，战争时期，图灵也曾拜访过他。现代计算机将各种指令、指令运行所依据的数据以及这些指令产生的各种新数据都存储在同一台物理记忆设备上。计算机的这种行为，既是出于现实考虑，也有理论原因：在机器内，这两类信息是被同等对待的，因为它们本质上就是一样的。

第1章 历史背景

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图灵的抽象计算机于20世纪50年代终于成为现实，随后在其他学科领域里离奇地出现了许多类似物。这么说只是打个比方，不过，这些机器似乎都朝向同一个方向。图灵抽象计算机认为，计算机由多个独立部件构成，在这些部件处理二进制中的1和0时，经过的是多个连续和离散“状态”，这种观念也体现在托马斯·库恩(ThomasKuhn)激进的科学史观念中。在库恩看来，科学史并不是平稳地增加，而是经过多个连续的有限状态，即他所谓的“范式”(Kuhn，1962)。库恩的观念对社会科学产生了巨大影响，以至于“范式”一词几乎被禁用，因为该词已经丧失了其解释功效(不过，考虑到该术语与计算的联系，本章中还是使用了这一词汇）。同样，让电脑用“只读存储器”(ROM)—改变了“随机存取存储器”(RAM)的内容—来执行固定程序，这样一个概念与沃森和克里克于1953年发现的双螺旋结构有着惊人的相似性，在该结构中，信息单向地从固定的DNA编码转为RNA(Crick，1970)。计算机高级语言(后面会提到)，可通过电脑编译成计算机能够执行的低位序，这同样证明了麻省理工学院语言学家诺姆·乔姆斯基(NoamChomsky)在战后几年里提出的人类语言获得理论(Chomsky，1957)。以二进制出现的编码信息任何信息，不仅限于字母都有着未曾预见到的含义。

火力控制

现在我们回到乔治·斯蒂比兹参加的那次美国国防研究委员会秘密会议上所讨论的火力控制话题。该委员会主席是万尼瓦尔·布什(VannevarBush)，布什原本是麻省理工学院的教授，他在那里建造了一台被称作“微分分析机”的模拟计算机，他带领学生探究了各种各样的机械与电子设备。1938年，布什提议建造一台“快速算法机”，这台机器将会用到真空管。1939年，随着布什去到华盛顿，他的工作重心发生了转移。有关快速算法机的研究在麻省理工学院仍在继续，但始终未能建成一套可运作的系统。布什的一名同事诺伯特·维纳(NorbertWiener)分析了在存在噪音的情况下追踪攻击目标、打击正在进攻的敌军飞行员所面临的问题。事实证明，维纳的数学分析的确产生了一定的影响，其不仅影响了火力控制，而且影响到机器自动控制这个更为普遍的问题。他创造了“控制论”一词，随后又发表了以《控制论》为题的著作，该书后来成为那个时代一本颇具影响力的书籍。该书提出了许多观点，其中就有关于“麦克斯韦妖”的讨论：这是一项声称要推翻热力学第二定律的思想试验。这里的“妖”是个虚构介质，能够将热量从冰冷的身体传向温暖的身体，这显然是违反热力学第二定律的。但维纳认为“信息”是一个物理量，而不只是抽象量，因而是不可能违反第二定律的，并且“信息”与物质世界紧密联系(Wiener，1961:56)。就这样，维纳与其麻省理工学院的同事克劳德·香农(ClaudeShannon)一起，奠定了将信息理论建立成为与热力学和物理学并立的科学的基础。

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信息处理理论正是在这样的思想骚动中出现的，人们开始详细阐释“数字”的含义。也正是在这个时候，人们开始思考一些基础性问题，即人类在与复杂的控制机械相互作用中到底起到了怎样的作用。今天的平板电脑或其他数字设备，与20世纪40年代的防空计算机相比，虽然在外观上已大相径庭，但有关人机“交互界面”的问题仍然是极其重要的，而这些问题的确可以追溯到那个时代。

战争行将结束，万尼瓦尔·布什再次审视他帮助孕育的这个世界。他曾给《大西洋月刊》(AtlanticMonthly)写过一篇发人深省的文章，在这篇文章中，他警告称，如果不加以控制，过多的信息将会给科学与学习带来冲击(Bush，1945)。他提议建造一台机器“Memex”(意为记忆的延伸)来解决这个问题。他对Memex的描述，以及这篇文章，都对图形计算机界面以及万维网的开发者产生了直接的影响。同样，诺伯特·维纳提出的“控制论”(Cybernetics)也没有详细地阐释数字世界，但该术语却在1982年被科幻作家威廉·吉布森(WilliamGibson)所采纳，并创造了“网络空间”(Cybersapce)(即由最小信息量单位“比特”构成的世界)一词。

商业化

ENIAC是独一无二的战时项目，若没有埃克特和莫克利的进一步推进，人们可能根本不会记得这种机器。完成了ENIAC之后，他们试图建造并销售一种能够应用于商业领域的机器。于是便诞生了UNIVAC，该产品被推向市场，人们可编制各种程序将其用作各种用途——这便是UNIVAC(通用自动计算机)这个缩略名称的由来。埃克特的设计非常谨慎，使UNIVAC出奇地可靠。埃克特和莫克利创立了一家公司这是随后即将出现的活跃的硅谷文化的又一个预兆—该公司后来于1950年被雷明顿兰德公司并购。UNIVAC清晰地表明，电子计算机即将取代上一代计算机。这也使IBM集团下定决心进入到该领域，推出自己的电子计算机。到了20世纪50年代中期，除了IBM公司与雷明顿兰德公司之外，也有其他供应商加入到这个市场当中，而在记忆设备、电路及最重要的编程领域的高级研究仍然是在美国与英国大学中进行的。

第1章 历史背景

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将实验性的、独一无二的研究项目转变为可靠的、适销的、有用的产品，这个过程是在20世纪五六十年代逐渐展开的。这些年正是属于“大型机”的时代，之所以这么讲，是因为电路是镶嵌在大型金属框架内的。IBM公司在该行业一家独大，无论是在美国还是西欧，皆是如此。科幻及流行文化反映了控制面板的闪烁光信号，但大型机真正的特征却是成堆的磁带卷，这些形似纺纱卷轴的磁带卷用来存储原本存储于穿孔卡片中的数据与程序。由于系统十分昂贵，用户是不能够直接与计算机互动的—成堆的卡片分批次反馈给机器，因此这个昂贵的投资项目始终处于忙碌状态。随后的几十年里，对批处理的厌恶驱使着计算机爱好者们尝试改变这一状况，首先是通过互动终端，随后又出现了个人电脑。

也是在这几十年间，“软件”开始出现，这是20世纪40年代的先驱们未曾预料到的。电脑是苛刻的任务大师，要求以二进制算术进行编程，但自20世纪50年代起，研究人员开发了计算机语言，使得用户能够以更为熟悉的方式来编写软件。最受欢迎的当属用于商业应用的COBOL语言，以及用于科学研究的Fortran语言。随后又出现了针对更特殊应用的语言编译器Babel这种趋势一直延续至今，许多现代Web应用使用的是Java、C+十、Python等语言；其中许多应用源于20世纪60年代贝尔实验室开发的C语言。这是存储程序原理发明者未曾预料到的结果，虽然我们现在知道楚泽在20世纪30年代试图建造的“大脑”及图灵的“通用机”概念中已有类似的观念。

20世纪五六十年代，随着设备变得更加可靠，用户学会如何编写软件，计算技术也获得了长足进步。军事部门也发挥了一定的作用，将用于防空的大型计算机与半自动地面防空系统(SAGE)相适应，支持克雷研究等公司提供的高性能计算机，以用于机密的军事研究。

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数字技术研究(世哲手册)

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此时出现的一些术语可以让我们深入了解随后到来的数字世界。比如，SAGE系统就是旨在“实时”运行的：一旦雷达接收到敌军战机的讯息，就要马上进行数据处理。这就意味着，在数字世界中，时间不再是世间事件上演的舞台，而成为一个可由数字工程师操纵与控制的变量。这也意味着，计算机或许能够处理不那么真实的时间形式：这个概念过去只能存在于某些科幻作家的作品里。20世纪60年代末，IBM公司也引进了一套拥有所谓的“虚拟”记忆的系统：数据存储在相对较慢的磁盘上，但用户则有一种错觉，以为数据是存在更快的磁芯存储器中。IBM公司保守的工程师们并没有认识到这一点，但他们强调计算机能够模糊真实、虚拟与幻觉间的差异。

1960年前后，运算的批处理方式开始改变。20世纪40年代末贝尔实验室发明的晶体管已经酝酿了相当长的时间，到了1960年，大型计算机利用了晶体管在可靠性、小尺寸及低能耗方面的优势。更重要的是，现在人们已经有能力利用晶体管来开发新一代小型计算机了，而且价格不再那么昂贵，能够被用于实验室、产业界及无法使用大型计算机的其他场合。这些所谓的微机的主要供应商是坐落于波士顿郊外的美国数字设备公司(DEC)。微型计算机进入家庭使用尚不现实，但是已经开启了一个发展趋势，等到20世纪80年代，终于使计算机进入家庭。

1960年前后，最早的后代微机产品出现，就是我们今天使用的便捷式电脑与平板电脑。执行繁重的计算任务时，大型计算机仍然是人们的首选，虽然批处理运算方式备受攻击。攻击首次发生时，只有一小部分人注意到。但此次攻击为数字革命增加了最后一个关键元素，即数字通信与20年前产生的信息存储、计算与控制功能的融合。这一次，仍然是一场战争冷战发挥了关键作用。

还是电子通信

此次融合开启于1962年11月一趟从弗吉尼亚州阿勒格尼山开往华盛顿的火车专列上。乘客们刚参加完美国空军在温泉谷度假村举办的“信息系统科学”会议，正处于返程途中。托马斯·杰斐逊(ThomasJefferson)前不久才去过这些温泉，并写下了一些相关的文字，但与会人员并没有时间来享受这些温暖的泉水。一个月前，美国与苏联刚刚因为苏联在古巴部署导弹而差点爆发核战争。两个超级大国之间，白宫、五角大楼及海上舰队司令之间糟糕的通信让这场危机升级。与会者中包括刚刚在美国国防部高级研究计划署(ARPA)就职的心理学家利克莱德(J.C.R.Licklider)。对于利克莱德来讲，这场会议令他十分失望。没有一位在场人员认识到计算机可能会给军事或民生带来变革。趁着这次长途火车之旅，他正好有机会好好地思考这种可能性，然后做点儿什么。

第1章 历史背景

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