Category 電腦科學

奇謎與炸彈、鋸鰩與巨像——可程式化數位電腦的誕生

上一篇〈比圖靈更早破解奇謎機的人〉寫到，最先破解奇謎機的其實是波蘭數學家瑞耶夫斯基，而不是圖靈。不僅如此，由於納粹後來又變更加密方式，結果圖靈設計的炸彈解密機用不到兩年就失去作用，最後破解密碼的是另外由別人設計的「巨像」(Colossus) 電腦，而這也成為史上第一台可程式化的數位電腦。 萬一波蘭人的炸彈機不管用 1939 年七月，英國應邀前往波蘭密碼局，得知三位波蘭數學家已經破解奇謎機後，隨即招募語言學家與數學家進駐布萊切利莊園，秘密展開破譯德軍密電的工作。 其實奇謎機的複雜程度的確難以破解，只因德軍將訊息密鑰重覆加密兩次，產生某種規律，才讓波蘭人發現可以忽略接線板的變化，只要檢測轉輪的十萬種排列組合，就能找出正確設定及密鑰。他們發明炸彈機來進行檢測，六台同時運作，每台測 17,576 種，兩個小時就能破解密鑰。只不過後來德軍將轉輪改為五選三，排列組合增加為十倍，變成一百萬種（註1），資源有限的波蘭密碼局才向英、法求援。 英國當然有能力造出 60 台炸彈機來應付，但萬一哪天德軍發現漏洞，不再重覆加密兩次訊息密鑰，炸彈機就不管用了。因此當布萊切利莊園的「政府代碼與密碼學院」(Government Code and Cypher School，簡稱 GC&CS) 於九月成軍後，便基於這個前提展開研究。 圖靈的炸彈機 根據波蘭密碼局過去幾年所破譯的德軍密電，內文中常會出現特定字詞，例如每天清晨的電報總會提到天氣，而「希特勒萬歲」也常出現在電報結尾。雖然德軍後來變更加密方式，但這些字詞的模式卻依然沒變，成為布萊切利莊園解密的破口。 當然，由於同樣字母每次的加密結果都不一樣，就算在密電中找到這幾個字詞，也無法直接據以破譯整篇內容。然而圖靈在比較它們加密前後的字母後，卻發現了類似瑞耶夫斯基所發現的循環特徵，例如某則電報中，hitler 的密文是 TMRJSH，那麼 h -> T、t -> R、r -> H 便形成一個循環，而這就可以用來檢測密鑰，也就是奇謎機的設定。 在圖靈眼中，這樣的循環就像是遞迴函數，而若以電路的角度，又相當於構成電流迴路。他結合這兩項洞見，於 1940 年初設計出模擬奇謎機的機器，可以自動逐一比對出符合的設定。這台機器高、寬各約兩米，也叫「炸彈機」(Bombe)，但原理與構造與波蘭的炸彈機完全不同，共有 108 個轉輪，每 3 個一組模擬一台奇謎機，相當於 36 台不同設定的奇謎機同時運作。 問題是，倘若訊息密鑰的破綻不復存在，接線板互換字母的影響就無法排除，所要面對的可能性將多達…

史上第一台硬碟問世

1956 年的今天（9 月 14 日），IBM 召開記者會展示最新的商用電腦 IBM 305 RAMAC。RAMAC 是「計算及控制的隨機存取方式」（Random Access Method of Accounting and Control）的簡稱，強調它配備了革命性的貯存裝置──史上第一部硬碟，可以迅速地隨機存取大量資料。總裁華生（Thomas J. Watson）豪氣地誇耀：「今天是 IBM 史上最重大的新產品發表日，我相信在辦公設備的歷史上也是。」 是的，之前的電腦主要仍用打孔卡片來讀取程式和貯存資料，儘管先後有各種新發明的貯存裝置，但不是容量很小，就是得從頭依序讀取資料，非常沒有效率。IBM 這台名為 350 的硬碟機長 152 公分，高 173 公分，深 74 公分，約莫兩台冰箱的大小，容量達 5 MB。 是的，你沒看錯，5 MB。如今我們會覺得不可思議，但當時的電腦只用來做計算數字，既沒有圖像也沒網際網路， 500 萬個字元的容量已經綽綽有餘了，這可相當於 62,500 張打孔卡片呢。 500 萬個字元是貯存在…

第一顆積體電路問世

1958年9月12日，德州儀器多位高階主管聚集在工程師基爾比（Jack Kilby）的實驗桌前，等著看他的最新發明——積體電路（integrated circuit, 簡稱IC）。基爾比宣稱可以將電晶體與相關元件整合在一起，如果這是真的，將會徹底改變電子產業。 德州儀器早在1952年就看好電晶體將取代笨重、耗電又易壞的真空管，於是從貝爾實驗室取得專利授權，之後便積極製造電晶體，並應用於飛彈、雷達、電腦等國防設備。這是因為初期電晶體的製造成本仍比真空管高非常多，只有軍方為了對抗蘇聯，願意不計代價採用電晶體。受惠於軍方的採購，德州儀器得以降低電晶體的成本，終於在1954年推出第一台電晶體收音機 TR-1，體積只有手掌大小，可以隨身攜帶，立刻受到熱烈歡迎，也讓社會大眾感受到電晶體將帶來的巨大改變。 只不過電晶體相較於真空管雖然已非常小巧，但電子產品除了電晶體，還要結合電阻、電容等元件，而這些元件必須個別封裝後，一一焊接在電路板上。除了元件本身所占的空間，連接元件的電路也浪費不少空間，必須有足夠大的電路板才塞得下，以致電子產品無法再縮小體積。基爾比在加入德州儀器前，遍一直在思考著如何縮小電路板的尺寸。 基爾比1947年自伊利諾大學電機系畢業後，先到密爾瓦基一家中型企業——全球聯合（Globe Union）旗下的實驗室上班。全球聯合也在1952 年取得貝爾實驗室的電晶體專利授權，基爾比便是負責技術移轉的人。雖然被賦予重任，但基爾比認清公司的規模與資源實在難以在半導體產業有所突破，於是在1958年5月跳槽到德州儀器。 基爾比剛進德州儀器沒多久，同事們就紛紛趁暑期度假去，他還沒有年假可休，也只能每天安分地進空蕩蕩的辦公室上班。他的部門只剩小貓兩三隻，他手上根本沒有任何交辦事項要做，不過這樣他反而可以全心思考如何縮小電路。 沒多久，基爾比的腦海中浮現出一個大膽的想法：何不一開始就將各種元件做在一起？如此一來不但可減少個別封裝的元件體積，也可以縮短元件之間的接線，電路板自然就大幅縮小了。 這麼簡單的想法，為什麼之前沒有人想到？其實加州的快捷半導體（Fairchild Semiconductor）總經理諾伊斯（Robert Noyce，後來成為英特爾創辦人之一）也在動這個腦筋，只是雙方都不知道對方正在研究。 基爾比開始構思如何實現這個想法，八月直屬主管休完假回來，他便向主管請示能否放手讓他試試看。反正很多同事都還在度假，眼下也沒什麼要事，主管便同意他趁此空檔著手研究，確認可行性。8月28日，基爾比先將電晶體、電阻與電容以金屬線連接在一起，證明這樣的電路沒問題後，開始著手打造積體電路，順利地在暑假結束，大家回到工作崗位前大致完成。 9月12日這一天，基爾比在主管們與同事面前拿出他的手工成品。這是一片包含三個電阻的赭晶體，再以金線將同樣是用鍺做成的一個電晶體與一個電容銲接在一起，外觀看起來相當醜陋，有些人不禁微皺眉頭。基爾比稍做解說後，接上示波器，接著小心地打開電源開關，示波器馬上出現預期的波形，在場人士一陣歡呼，他們見證了第一顆積體電路的誕生！ 不過基爾比的發明後來並未受到廣泛採用，反而是諾伊斯的設計成為現今積體電路的基礎，因為他採用平面製程，直接將元件與連接的線路都做在晶片裡面，不必用金屬線銲接，更容易製造也更堅固耐用。但諾伊斯晚了基爾比幾個月申請專利，德州儀器認為快捷半導體侵犯專利而提起訴訟，雙方纏訟多年，直到1966年才達成和解。 這段期間基爾比繼續埋頭其它發明，1961年帶領團隊做出第一台使用積體電路的電腦給空軍；1965年發明熱感式印表機；1967年和同事共同發明第一台口袋式計算機。1970年，基爾比辦理留職停薪，當一個獨立的發明家，後來有幾年到德州農工大學教書。 隨著積體電路在現代科技文明中扮演越來越重要的角色，2000年的諾貝爾物理獎終於頒給基爾比，他成為極少數以工程師身分獲獎的人。至於諾伊斯，則在1990年已因心臟病過世，所以無緣獲獎。基爾比被問到得獎感想時，他拋開過去的專利恩怨，無私地提到：若是諾伊斯還活著的話，肯定會和他一起分享諾貝爾獎。 附註：諾伊斯不但發明積體電路，他和七位夥伴共同創立的快捷半導體，後來開枝散葉，才有現在的矽谷。若對半導體科技的起源有興趣，可參閱我所寫的《蕭克利與八叛徒》。 參考資料：

【歐洲紀行】造訪馮紐曼故居

來到布達佩斯，除了到城市公園探尋特斯拉當年靈光一閃、在沙地上畫出交流感應馬達設計圖之處，還想順道造訪的，是另一位天才馮紐曼 (John von Neumann) 的故居。 天才兒童 馮紐曼的天才是非常誇張那種。他出生在布達佩斯一個富裕的猶太家庭，從小就展露過人天份，六歲能心算 8 位數的除法，八歲就會微積分，除了母語，也會英、法、德與義大利等國語言，還會古希臘語。他的記憶力驚人，看過的書過目不忘，甚至能背下電話簿。 1921 年，馮紐曼被布達佩斯大學數學系錄取，卻因父親強烈反對，只好改念柏林大學化學系，兩年後再轉到蘇黎世理工學院。雖然他完全沒在布達佩斯大學上過一堂課，卻因高分通過期末考又有發表數學論文，結果在 1926 年除了取得蘇黎世理工學院化工博士，也同時拿到布達佩斯大學的數學博士學位。隔年他即在柏林大學任教，以 23 歲創下該校有史以來最年輕的紀錄。 馮紐曼在教書的同時不但持續發表論文，而且產量驚人，才三年就發表了32篇論文。1930 年，才轉到漢堡大學任教不到一年，他又應邀前往普林斯頓大學教授量子理論。三年後，普林斯頓高等研究院正式啟用，馮紐曼與愛因斯坦等人並列，成為初始的六位學者之一。當時普林斯頓高等研究院暫設於普林斯頓大學校園內，未滿 30 歲的馮紐曼老是被誤以為是學生。 如果你以為馮紐曼只是數學天才，那就錯了。他對各種新奇事物都充滿好奇，常興致盎然地問別人在研究什麼，然後往往在五分鐘內就掌握全盤脈絡與關鍵所在，甚至提出前所未有的見解，讓對方既驚訝又佩服。因此除了數學，馮紐曼在其它領域也做出許多重大貢獻。 現代電腦架構 在物理方面，他為剛萌芽的量子力學提供嚴謹的數學架構，也讓之後的數學家與物理學家因而有了處理多維空間的數學工具。他還將數學應用到經濟學，首度為賽局理論建立系統化的模型，因而被視為「賽局理論之父」。 除了這些抽象理論，馮紐曼為流體力學和震波建立數學模型，讓他在二次大戰期間加入曼哈頓計畫，協助計算原子彈的內爆作用。由於其中牽涉的計算極為複雜龐大，需藉助於計算機，他也因此跨入計算機的設計。 1944 年，馮紐曼應邀參觀軍方正在打造的第一台通用型的電腦 ENIAC，發現每次要執行不同程式就得重設上千個開關、插拔上百條電纜，非常沒有效率。他幾經思索後，於 1945 年發表論文，倡議將電腦硬體劃分成運算、貯存、控制、輸入與輸出等五大單元，成為現代電腦的基本架構。兩年後他又發明流程圖，讓撰寫軟體程式時的思考邏輯一目了然，至今仍為程式設計師所用。 馮紐曼後來進一步構想能像細胞一樣自我複製的機器，而提出「細胞自動機」(Cellular automaton)，從簡單的指令與零件開始，就能衍生出複雜的機器，並且一代一代的繼續複製下去。有人認為這就是電腦病毒的始祖，也有人認為他預見了生命繁衍的秘密（四年後，華生與克里克才揭開DNA的秘密）。 英年早逝 馮紐曼一次又一次地在不同領域展現他的創見，只可惜他在 1957 年就因為骨癌過世，享年僅 53 歲。罹癌化療期間，他還在研究如何讓電腦學習人腦的思考方式，讓人不禁想像如果他沒有英年早逝，人工智慧會有怎樣的發展。 這樣一位全能型的天才，當然不能錯過造訪其故居的機會。馮紐曼於 1903 年 12…

半導體的誕生（五）——史上第一個半導體商品問世

1901 年美洲盃國際帆船賽的電報大亂鬥結束後，美國無線電話與電報公司要求首席工程師匹卡德從美東開始，架設無線電報的收發站。匹卡德對金屬屑檢波器也不滿意，因此和德佛瑞斯特一樣，想要研發出效果更好的無線電波接收器。 不過匹卡德卻不是發想新方法，而是要從已問世二、三十年的碳粒式麥克風著手。為什麼？這得從發明人之一的休斯 (David E. Hughes) 一次實驗意外說起。 碳粒式麥克風 1879 年，休斯在測試電話機的麥克風與聽筒時，不小心讓電瓶產生火花，沒想到尚未連接電瓶的電話機竟然發出聲音。他不斷試驗改良，最後讓電話機在四百多公尺外也能隔空收到電火花的訊號。 休斯不但比赫茲早好幾年就發現電磁波，而且這幾乎就是無線電報的裝置了，然而幾位英國皇家學會的友人來看了之後，卻告訴他這不過是電磁感應的現象，休斯因此作罷，未再繼續研究，也沒對外發表。直到 1899 年，馬可尼都已經從法國發送無線電報到英國了，他才公布當時所做的實驗，當然已沒有多少人在意了。 不過匹卡德注意到休斯並未特別加強天線，竟然就能用碳粒式麥克風偵測到無線電波，因此決定根據他的方法來做實驗。1902 年 5 月 29 日，匹卡德在紐澤西州五月岬 (Cape May) 的無線電報站台，將縫紉針的兩端架在兩顆碳塊上——這相當於碳粒式麥克風的作用卻更靈敏，再接上聽筒與三個乾電池，開始聽取無線電訊號。 礦石檢波器 匹卡德將聽筒貼近耳朵，發現雜訊聲音太大，他猜想是電流可能太強了，於是伸手拿掉兩個電池。果然雜訊馬上消失，雖然無線電的訊號也變得比較小聲，卻清楚許多。這時他看了一眼器材，才發現他剛剛不小心把電池的接線弄掉了，表示這個偵測器竟然不需外接電源就能作用，而且能將無線電波本身的能量傳遞到聽筒發出聲音。 當時還不知道像鋼針這樣的金屬和碳這類半導體接觸，就形成了後來所稱的「肖特基二極體」(Schottky diode)，很低的電壓就能讓它表現出單向導電性。匹卡德只覺得這個奇特的現象完全違背傳統認知，決定深入研究，於是很快就跳槽到 AT&T，全心研發用礦石做成的檢波器。 從 1902 年夏天到 1906 年，匹卡德測試了上千種礦石，發現其中 250 種有類似效果，然後他拿各種金屬觸碰這些礦石或讓礦石互相接觸，在測試了 31,250 種組合後，發現以熔融後的矽石（原本用來製造石英玻璃）搭配銅或銀的收訊效果最佳。1906 年 8 月，匹卡德提出礦石檢波器 (crystal…