现代计算机真正的鼻祖，超越时代的伟大思想家

 查尔斯•巴比吉（Charles Babbage）是计算机发展史上的伟大先驱者之一，特别是他最早将机械演算机和顺序控制机结合在一起，开创了设计现代计算机的新起点；另外，他最早提出了组成计算机的五大功能部件，他的这一天才设想在现代电子计算机的组成上得到了光辉的验证。巴比吉还是杰出的数学家和兴趣广泛的发明家以及科学管理的探路者。

巴比吉，1791年出生在英格兰西南部的托特纳斯，是一位富有的银行家的儿子，后来继承了相当丰厚的遗产，但他把金钱都用于了科学研究。童年时代的巴比吉显示出极高的数学天赋，考入剑桥大学后，他发现自己掌握的数学知识甚至超过了教师。1828年至1839年，巴比吉在剑桥大学担任卢卡斯数学教授席位；这是一个很少有人能够获得的殊荣，牛顿的老师巴罗是第一名，牛顿是第二名。假若巴比吉继续在数学理论领域耕耘，他本来是可以走上鲜花铺就的坦途。然而，这位旷世奇才却选择了一条无人敢于攀登的崎岖险路──研制计算器。

巴比吉的第一个目标是制作一台“差分机”，那年他刚满20岁。所谓“差分”的含义，是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算，快速编制不同函数的数学用表。他从法国机械师杰卡德发明的提花织布机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。1822年，巴比吉小试锋芒，初战告捷，第一台差分机呱呱坠地。但是，这一“小试”也耗去了整整10年。这是因为当时的工业技术水平极差，从设计绘图到零件加工，都得自己亲自动手。好在巴比吉自小就酷爱并熟悉机械加工，车钳刨铣磨，样样拿手。在他孤军奋战下造出的这台机器，运算精度达到了6位小数，当即就演算出好几种函数表。以后实际运用证明，这种机器非常适合于编制航海和天文方面的数学用表。成功的喜悦激励着巴比吉，他连夜奋笔上书英国皇家学会，要求政府资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机。

英国政府看到巴比吉的研究有利可图，破天荒地与巴比吉签订了第一个合同，财政部慷慨地为这台大型差分机提供了1.7万英镑的资助。巴比吉自己也贴进去1.3万英镑巨款，用以弥补研制经费的不足。在当年，这笔款项的数额无异于天文数字──有关资料介绍说，1831年约翰·布尔制造一台蒸汽机车的费用才784英磅。然而，英国政府和巴比吉都失了算，第二台差分机在剑桥的“阴沟”里面翻了船！我们可以设身处地替巴比吉想一想，第二台差分机大约有25000个零件，主要零件的误差不得超过每英寸千分之一，即使用现在的加工设备和技术，要想造出这种高精度的机械也绝非易事。巴比吉把差分机交给了英国著名的机械工程师约瑟夫·克莱门特所属的工厂制造，但工程进度十分缓慢。设计师心急火燎，从剑桥到工厂，从工厂到剑桥，一天几个来回。他把图纸改了又改，让工人把零件重做一遍又一遍。

年复一年，日复一日，直到又一个10年过去后，巴比吉依然望着那些不能运转的机器发愁，全部零件亦只完成不足一半数量。参加试验的同事们再也坚持不下去，纷纷离他而去如鸟兽散。巴比吉独自苦苦支撑了第三个10年，终于感到自己再也无力回天。那天清晨，巴比吉蹒跚走进车间。偌大的作业场空无一人，只剩下满地的滑车和齿轮，四处一片狼籍。他呆立在尚未完工的机器旁，深深地叹了口气，终于“怆然而涕下”。在痛苦的煎熬中，他无计可施，只得把全部设计图纸和已完成的部分零件送进伦敦科学博物馆供人观赏。

就在这痛苦艰难的时刻，一缕春风悄然吹开巴比吉苦闷的心扉。他意外地收到一封来信，写信人不仅对他表示理解而且还希望与他共同工作。娟秀字体的签名，表明了她不凡的身份──伯爵夫人；夫人本名叫艾达•奥古斯塔，是英国大名鼎鼎的诗人拜伦的独生女。艾达比巴比吉的年龄要小20多岁，1815年才出生；她自小命运多蹇，来到人世的第二年，父亲拜伦因性格不合与她的母亲安娜•伊莎贝拉离异，从此别离英国。可能是从未得到过父爱的缘由，小艾达没有继承到父亲诗一般的浪漫热情，却继承了母亲的数学才能和毅力。那还是艾达的少女时代，母亲的一位朋友领着她们去参观巴比吉的差分机。其他孩子围着差分机叽叽喳喳乱发议论，摸头不是脑。只有艾达看得非常仔细，她十分理解并且深知巴比吉这项发明的重大意义。在艾达27岁时，她成为巴比吉科学研究上的合作伙伴，迷上这项常人不可理喻的“怪诞”研究。

30年的困难和挫折并没有使巴比吉折服，艾达的友情援助更坚定了他的决心。还在大型差分机进军受挫的1834年，巴比吉就已经提出了一项新的更大胆的设计。他最后冲刺的目标，不是仅仅能够制表的差分机，而是一种通用的数字计算机。巴比吉把这种新的设计叫做“分析机”（现代电子计算机的前身），它能够自动解算有100个变量的复杂算题，每个数可达25位，速度可达每秒钟运算一次。巴比吉首先为分析机构思了一种齿轮式的“存贮库”，每一齿轮可贮存10个数，总共能够储存1000个50位数。分析机的第二个部件是所谓“运算室”，其基本原理与帕斯卡的转轮相似，但他改进了进位装置，使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。此外，巴比吉也构思了送入和取出数据的机构、以及在“存储库”和“运算室”之间运输数据的部件。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作。今天我们再回首看看巴比吉的设计，分析机的思想仍然闪烁着天才的光芒。

巴比吉把分析机制造成由黄铜配件组成，用蒸汽驱动的计算器；分析机采用的一些计算机思想延用至今。分析机包括的存储和碾磨，就非常类似于今天计算机中采用的内存和处理器；输入和输出都采用打孔卡进行。巴比吉的蒸汽动力计算器虽然没有完成，以今天的标准看也是非常原始的；不过，它勾画出现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。巴比吉的失败是因为他看得太远，分析机的设想超出了他所处时代至少一个世纪！然而，他却留给了计算机界的后人一份极其珍贵的遗产，包括30种不同的设计方案，近2100张组装图和50000张零件图……，更包括那种在逆境中自强不息，为追求理想奋不顾身的拼搏精神。现在的人们，当然更不会以成败来论英雄，而应该重视英雄的精神、力量，将其不断的升华，作为鼓励人们不断前进的精神因素；只有这样，才能天才辈出。

一个多世纪过去后，现代电子计算机的结构几乎就是巴比吉分析机的翻版，只不过它的主要部件被换成了大规模集成电路而已。仅此一说，巴比吉就当之无愧于计算机系统设计的“开山鼻祖”。在分析机设计中，巴比吉曾设想根据储存数据的穿孔卡上的指令进行任何数学运算的可能性，并设想了现代计算机所具有的大多数其他特性。后因1842年英国政府拒绝进一步支援，巴比吉的计算器最终未能完成。瑞典斯德哥尔摩的舒茨公司按他的设计于1855年制造了一台计算器，而世界上第一台真正意义上的计算机ENIAC到1946年才在美国制成。巴比吉首次将运行步骤从机器身上剥离，靠随时可以替换的穿孔卡来指挥机器，成就了机器的可编程性；这其中，穿孔卡的引入功不可没，这种经典的数据载体跨越了机械、机电和电子三个时代，一直沿用至20世纪80年代中期。

此外，巴比吉另一重要贡献就是制定了一种“观察制造业的方法”；这种方法同后来别人提出的“作业类员工的科学评价方法”非常相似。观察者用这种方法进行观察时利用一种印好的标准提问表；表中包括的项目有：生产所用的材料，正常的耗费、费用、工具、价格，最终市场，工人、工资、需要的技术，工作周期的长度等。他进一步发展了经济学家亚当•斯密关于劳动分工的利益的思想，分析了分工能提高劳动生产率的原因。巴比吉特别重视劳资关系，并为实现劳资协作提出了固定工资加利润分享制度。

1871年，为科学事业而贡献了终生的先驱者──巴比吉带着无比的遗憾，孤独地离开了人世。当时就有人把他的大脑用盐渍着保存起来，想经过若干年后，有更先进技术来研究他大脑特别的机制。由于时代、科技、资金等的限制，巴比吉的理想、预知、设想未能实现。他在24岁时就被选为英国皇家学会会员；他参与创建了英国天文学会和统计学会，并且是天文学会金质奖章获得者；他还是爱尔兰皇家学会、法兰西学院和美国科学院的成员。在英国，巴比吉已成为一种文化符号和民族骄傲；月球上，就有用来纪念他的“巴比吉环形山”。

今年是查尔斯•巴比吉诞辰二百三十周年和逝世一百五十周年，值得人们纪念；他是现代计算机真正的鼻祖，超越时代的伟大思想家；他的业绩永远激励着人们不断向前，奋力攀登科学高峰。正如中国著名学者周海中教授在《计算机的先驱者──纪念巴比吉诞辰二百周年》一文中曾经所说的那样：巴比吉的业绩是永存的，它鼓励着后来的人们沿着前人的足迹去攀登，为开创更光辉的业绩作出更大的努力。

文/林彬(作者单位：荷兰代尔夫特理工大学应用科学学院)