1973年西德邮票纪念数学家席卡德发明第一台现代机械计算机工作模型
尽管作为应用工具的电子计算机的历史不足百年,但计算机的设计思想最早可以追溯到四百年前。电子计算机是数学和物理两个学科共同创造的杰作,而在物理学为计算机提供制作材料以前,数学已经早早地奠定了相关的思想基础。
在为计算机的设计做出重要贡献的人物名单中,包括了多位在数学史上占有重要地位的著名数学家。从这个意义上说,计算机完全可以称为数学智慧的结晶。
威廉•席卡德(Wilhelm Schickard)德国数学家,1592年4月22日出生在德国赫伦堡(Herrenberg),1635年10月23日在图宾根(Tubingen)去世。
1611年获图宾根大学文学硕士学位后,继续学习神学和东方语言学,1617年转学数学与天文学.1619年任该校希伯来语教授。他曾任图宾根大学教授,广泛涉猎天文学、数学、地理学和测量学等诸多领域,通晓希伯来语言、东方语言等,并熟悉技工,曾用机械零件制造过一些天文仪器。他还擅长机械制造的雕刻术,1623年制造了世界上第一台现代机械计算机工作模型,并建议天文学家开普勒(Kepler,J.)用此种仪器计算星历表.除廿少外.楠环制作付用干封学的于象仪。
目前学者一般认为,第一台机械计算器的构想来自席卡德,他于17世纪20年代构想了一种“计算钟”(Rechenuhr),结合了纳皮尔算筹(用于计算乘法)和机械进位装置(用于计算加减法)。在写给挚友约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler, 1571–1630)的信中,他描述了这台计算器(arithmeticum organum)的原理和结构,信中还附了几张机器草图,他也曾制造过一台样机,但在大火中被毁。
席卡德机械计算器由加法器、乘法器和记录中间结果的装置等三部分组成,可以做6位数的加减法,机器上部附加一套圆柱型“纳皮尔算筹”,因此也能进行乘除运算。1960年,图宾根大学教授布鲁诺·冯·弗赖塔格-洛林哈夫(Bruno von Freytag-Löringhoff)制造了席卡德机械计算器复原模型。他仔细研究了席卡德关于这台机器的原始文献,并发掘了17世纪时钟表匠经常采用的技术,因此可以构想并复盘这台机器的结构及其细节。1971年,西德发行了一张印有此机器模型的邮票以纪念席卡德构造机械计算器350周年,该机器模型实物则被开普勒博物馆收为馆藏。
- 第一个提出近代的机械式计算机的设计思想的是德国人席卡德(1592-1635),他在1623年到1624年间设计的计算机,可以进行四则运算,用齿轮传动,不过席卡德没有制造出机器来。
- 法国数学家帕斯卡,他的父亲是一个税务官员,工作很辛苦,责任很重。他想减轻父亲的工作负担,就动手设计了一个计算机。1642~1644年间,法国数学家帕斯卡设计并制成了第一台机械式计算机——加法机,他的这台机器用齿轮作为主要部件,用手摇动并用手控制,帕斯卡计算机外表如下图所示,尺寸为36×13×8(厘米)。
- 1671年,德国数学家莱布尼兹(1646—1716)设计了一种能作四则运算的手摇计算机,1673年制成样机,它的尺寸是100×30×25(厘米),主要的部件也是齿轮。
- 第一个研制自动化计算工具的人是英国的巴贝吉(1791—1871),1822年他制成了一台能够执行计算程序的差分机。到1834年,他又构思了一台完全程序控制的计算机,准备用刻有数字的轮子来存储数据,通过齿轮的旋转来进行计算,用一组齿轮和杠杆构成的装置来传送数据,用穿孔卡片输入程序和数据,用穿孔卡片和打印机输出计算结果。尽管因当时的技术条件所限,这台分析机未能制造出来, 但巴贝吉的设计思想是不朽的,它与现代电子计算机完全吻合。
- 英国数学家布尔(George Boole)为了研究思维规律,在1847年提出了逻辑学的数学模型,又在1854年提出并发表了《思维规律》这部杰作。他采用数学的方法处理逻辑推理,因而 布尔代数的问世是数学史一个重要的里程碑。但是像其他的新生事物一样,布尔代数发明后没有受到人们的重视。欧洲大陆著名的数学家蔑视地称它为 没有数学意义的、哲学上稀奇古怪的东西。布尔在他的杰作出版后不久就去世了。直到20世纪初,罗素在《数学原理》中指出:“ 纯数学是布尔在一部他称之为《思维规律》的著作中发现的。”此说一出,立刻引起世人对布尔代数的注意。今天,布尔发明的逻辑代数已经发展成为纯数学的一个主要分支。
- 英国数学家图灵提出了当今计算机科学中极为重要的“可计算性”概念。为了判断所谓的可计算性,图灵提出了一种理想的计算机模型,就是今天所说的“图灵机”,它是现代通用程序计算机的理论模型。 图灵机从理论上揭示了设计制造电子计算机的可能性。在二战期间,图灵本人也参与了早期电子计算机的设计制造,他亲自设计的“巨人号”专用电子计算机曾成功地破译了德军的作战密码,他因此而荣获英国国防部的荣誉勋章。美国计算机学会在1966年创立图灵奖,用于鼓励在该领域作出杰出贡献的计算机科学家,这是世界计算机科学领域的最高奖项,有该领域的诺贝尔奖之称。
- 美国数学家克劳德·香农(Claude Elwood Shannon)1938年在MIT获得电气工程硕士学位,硕士论文题目是《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》(继电器与开关电路的符号分析)。当时他已经注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性,即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来,并用1和0表示。于是 他用布尔代数分析并优化开关电路,奠定了数字电路的理论基础。哈佛大学的格德纳教授说:“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”
- 1946年,大数学家冯·诺依曼参与设计的世界上第一台电子数字计算机(ENIAC)终于问世了,这是由美国陆军兵器局出资由弹道研究所出技术研制成的,主要应用于弹道计算。当时的ENIAC机仅用30秒钟就出色地完成了从发射到击中目标飞行了一分钟的弹道计算,被称为“比子弹还快”的超人。在这台电子计算机的设计中,冯诺依曼提出了他一整套的设计思想与原则,因而被称为冯·诺依曼机。该机的运算速度每秒钟5000次,比当时的继电器计算机快1000倍。冯·诺依曼也由于他的杰出卓越贡献而获得“计算机之父”的桂冠。