研制背景

計算，是現(xiàn)代化武器的靈魂。

一顆看似做著簡單的自由落體運動的炮彈，其實在出發(fā)前就被設(shè)定好了精確的飛行軌道。彈道的計算十分復(fù)雜，發(fā)射速度和角度的確定不僅要考慮炮彈本身的類型和炸藥特性，還要考慮風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度和當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拳h(huán)境因素，作戰(zhàn)時在瞬間完成這些因子的綜合分析顯然不是人力所能及的。因此，科學(xué)家會在使用前為炮手準備好一份彈道表，炮手對照表中參數(shù)操作火炮，炮彈便基本能落到指定的目標(biāo)點。

于是二戰(zhàn)期間，軍方遇到了和當(dāng)年人口調(diào)查一樣的難題，每種型號的炮彈都需要計算2000～4000條彈道，每條彈道都涉及復(fù)雜的微積分運算，轉(zhuǎn)換成四則運算平均涉及750次乘法和更多次加減，普通計算員使用機械計算器平均需要20個小時才能算完。多型新型火炮的投入使用給美國陸軍的彈道研究實驗室?guī)砹撕艽蟮闹票韷毫?，他們雇傭?00多名女計算員，以滿足阿伯丁試驗場每天6張彈道表的需求?？鄤谑亲鲎懔?，一旦出錯卻沒了功勞。實驗室很快意識到，磨刀不誤砍柴工，他們急需一臺強大的計算機器。

這個創(chuàng)造歷史的項目，交給了與彈道研究實驗室相距僅120公里的位于費城的賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電氣工程學(xué)院。其實論起資歷與聲望，600公里開外的麻省理工學(xué)院會是更好的選擇，但莫爾學(xué)院“近水樓臺先得月”，早與彈道研究實驗室建立了友好的合作關(guān)系，那些計算彈道的計算員就是由莫爾學(xué)院負責(zé)培訓(xùn)的。

1937年，費城一位名為普雷斯伯·?？颂兀↗. Presper Eckert）的天才少年收到了夢寐以求的麻省理工學(xué)院錄取通知書，但他的母親不希望自己唯一的兒子離家太遠，他的父親則不希望他學(xué)理工，還騙他說麻省理工的學(xué)費高昂，支付不起，百般無奈之下，埃克特只好“屈就”賓夕法尼亞大學(xué)的金融學(xué)院。不多久，對金融實在提不起興趣的?？颂貙で筠D(zhuǎn)專業(yè)的機會，可是他最想去的物理系已經(jīng)招滿了，再一次的無奈之下，他來到了莫爾學(xué)院。那時的埃克特并不會料到，正是這個他“屈就”了再“屈就”的地方，給了他名垂青史的機會。

普雷斯伯·埃克特（J. Presper Eckert），1919-1995，美國電氣工程師、計算機先驅(qū)。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

1943年4月9日，恰好是?？颂?4歲生日的這一天，莫爾學(xué)院和彈道研究實驗室所屬的陸軍軍械部簽訂了6.17萬美元的研制合同，年輕的?？颂仉m然還是一名在讀研究生，但由于杰出的專業(yè)能力被任命為項目總工程師。

這臺計算機就是大名鼎鼎的電子數(shù)字積分器與計算機（Electronic Numerical Integrator and Computer），簡稱ENIAC。由于是為了處理彈道計算中的微積分而設(shè)計的，起初，它的名字是電子數(shù)字積分器（Electronic Numerical Integrator），但由于它的通用性，后來被用于各種其他計算，才有了追加的“and Computer”。

和?？颂卮顧n的，是年齡大他一輪的約翰·莫奇利（John Mauchly），時年36歲的莫奇利已是烏爾辛納斯學(xué)院（同在賓夕法尼亞州）的物理系主任，擁有約翰·霍普金斯大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。他被委任為ENIAC項目顧問，由于教學(xué)工作不能投入全部精力，但只要一有時間就會鉆進項目里，最終出色地完成了ENIAC的總體設(shè)計，與主要負責(zé)工程實現(xiàn)的?？颂夭⒎Q“ENIAC之父”。他們共同領(lǐng)導(dǎo)莫爾學(xué)院50人的兼職團隊，一個主理論、一個主工程的黃金搭檔模式像極了實現(xiàn)ABC的阿塔納索夫和貝里。

約翰·莫奇利（John Mauchly），1907-1980，美國物理學(xué)家。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

ENIAC于1945年底竣工，在1946年2月14日晚正式亮相，并于日次交付。它的最終造價是48.7萬美元，相當(dāng)于今天的700多萬美元。

組成結(jié)構(gòu)與工作原理

ENIAC比巨人機更加龐大，總長約30米，高約4米，厚約0.9米，占地約167平米，需要布置在一個很大的房間。這臺重達27噸的電子巨獸體內(nèi)大約包含著18000個電子管、70000個電阻、10000個電容和1500個繼電器，以及500萬個焊接點，每小時吞掉150kW電量。功耗之大，一度傳出夸張的謠言：ENIAC一啟動，整個費城的燈光都要暗下一截。

ENIAC在莫爾學(xué)院（圖片來自維基百科）

ENIAC主要由40塊模塊化的功能面板組成，貼著機房的3面墻壁呈U型排布，面板之間通過下側(cè)的接插線板相連。它們的相對位置不是固定的，可根據(jù)使用需要或習(xí)慣進行調(diào)換。此外，有3臺可移動函數(shù)表通過接插線板與這些面板相連，讀卡器和穿孔機直接連接至輸入和輸出模塊的面板。

ENIAC在莫爾學(xué)院的模塊分布示意圖（俯視）

初始化模塊顧名思義，負責(zé)完成整臺機器在開始使用前的所有準備工作，比如機器上下電和累加器清零，等等。

時鐘周期模塊是同步機器所有模塊的關(guān)鍵，以每10μs一個電脈沖的頻率指揮著各元器件的等周期工作，就像軍訓(xùn)時喊著“121”口令的教官，有了統(tǒng)一的節(jié)奏，整個隊伍的步伐才不至于亂套。

主編程模塊占據(jù)2塊面板，其上分布著密密麻麻的旋鈕，使用者可以在此編程，設(shè)置各個電信號的走向和先后順序。如果把匆忙的電信號比作車輛，主編程模塊就好比十字路口的交警，引導(dǎo)著車流，車駛到不同模塊就完成不同的使命。同時，將這些車流按段劃分，以車流段為單位指揮交通，安排它們的執(zhí)行次序，就實現(xiàn)了所謂的結(jié)構(gòu)化編程，即程序不再只能從頭到尾順序執(zhí)行，它可以有條件分支和循環(huán)分支等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

程序員與前4塊功能面板（圖片來自維基百科，圖中兩位女程序員分別是貝蒂·吉恩·詹寧斯（左）和弗朗西絲·比拉斯（右）。）

兩位程序員之間的4塊面板即初始化模塊、時鐘周期模塊和主編程模塊。

函數(shù)表有3個，每個占據(jù)2塊面板，通過其上的旋鈕可以預(yù)置一些供其他模塊反復(fù)使用的常數(shù)，這樣的常數(shù)可不少，因此又添置了3臺可移動的函數(shù)表（上圖右側(cè)即一臺可移動函數(shù)表），每臺有1456個旋鈕?？梢苿雍瘮?shù)表除了用于擴充3個固定的函數(shù)表，還可以直接與其他模塊相連，供其查表。一次查表耗時5個加法時間。

累加器有20個，每個累加器可存放1個10位長度的十進制數(shù)（包括負數(shù)），供其他模塊使用，兩個累加器連接可組成一個支持20位十進制數(shù)的大累加器。累加器的線路設(shè)計為，每當(dāng)從其他模塊接收到數(shù)據(jù)，即將其累加到當(dāng)前的存儲值之上，故名累加器。累加器之間可互相傳遞自己的存儲值，以此實現(xiàn)加法，也可傳遞存儲值的補碼，以此實現(xiàn)減法，因此ENIAC沒有加減法的功能面板。一次數(shù)據(jù)傳輸或加減運算耗時200μs，這個時間被稱為“加法時間”，是我們討論ENIAC運算速度的基準時間。

比起諸多早已使用二進制或混合編碼的前輩，仍然使用十進制的ENIAC就顯得有些原始了。埃克特和莫奇利從機械計算器中的十齒齒輪獲得靈感，用10個電子管電路存儲1個數(shù)位，分別表示0～9，同一時間只有1個電路導(dǎo)通，以表示該數(shù)位上的值。這意味著，每個累加器需要100個這樣的電路，并且，事實上每個電路平均要用到3.6個電子管。雖然比較浪費，但至少降低了設(shè)計難度。

高速乘法器占據(jù)3塊面板，一次n位數(shù)（n≤10）乘法的耗時是n+4個加法時間。之所以強調(diào)“高速”，是因為它不是靠重復(fù)加法實現(xiàn)乘法的，而是直接查找預(yù)置在函數(shù)表里的部分積，然后將它們加起來。

除法和開平方運算支持20位數(shù)，它們都是靠重復(fù)減法實現(xiàn)的，因此它們共用一塊功能面板。一次除法或開平方運算的耗時取決于計算結(jié)果，結(jié)果為n位時，耗時平均為13n個加法時間。

數(shù)據(jù)的輸入輸出設(shè)備是現(xiàn)成的IBM讀卡器和穿孔機，分別受控于輸入模塊和輸出模塊。每張穿孔卡片可存8個10位十進制數(shù)，讀取一張卡片需要0.48秒，穿孔一張卡片需要0.6秒。輸入、輸出模塊分別占據(jù)3塊面板，均使用繼電器臨時存儲數(shù)據(jù)，它們是連接機器外部和內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存池，比起內(nèi)部的運算速度，讀卡和制卡動作是如此之慢，所以沒有必要使用電子管，畢竟繼電器要便宜得多。

后話

就這樣，ENIAC帶著空前的計算能力來到了世上，拿下一條彈道僅需30秒，速度是人的2400倍。ENIAC團隊毫不夸張地類比道：我們得出彈道所需的時間，比導(dǎo)彈實際飛行的時間還要短。不過此時，二戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束，ENIAC并沒有達成最初被寄予的厚望。好在莫奇利的設(shè)計是圖靈完備的，人們很快為ENIAC找到了其他用武之地，比如氣流分析和天氣預(yù)測等，最重要的還是在氫彈研制中的應(yīng)用。研制出廣島和長崎原子彈的洛斯·阿拉莫斯國家實驗室將ENIAC用于氫彈相關(guān)的計算，消耗了100萬張穿孔卡片。
起初，ENIAC的可靠性非常糟糕，每天都會燒壞幾個電子管，機器幾乎只有一半時間能正常工作，剩下的一半時間都在尋找和替換這些罷工的電子管。不多久，工程師們發(fā)現(xiàn)電子管子在工作期間的可靠性其實很高，只是在加熱和冷卻階段容易失效，而彈道研究實驗室為了節(jié)省能源和值班人力，每天夜里都會關(guān)機，卻不料揀了芝麻丟了西瓜。保持常開后，ENIAC的可靠性大幅提升，平均每兩天才有1個電子管失效，并且只要15分鐘就能找到它。ENIAC持續(xù)運行時間最長的一次是在1954年，它一口氣跑了116個小時，接近5天。

ENIAC使用了大量電纜，為了防止老鼠啃咬上面的絕緣層，工程師們想到了一個很有意思的辦法：將裹著各種絕緣材料的電纜一起扔到老鼠面前，觀察哪種材料是老鼠不愛吃的，就選用這種材料的電纜。

ENIAC的存儲能力近乎為零，20個累加器只夠存放幾類基礎(chǔ)運算所需的參數(shù)和結(jié)果，對于復(fù)雜問題，使用者還往往不得不將中間結(jié)果輸出到穿孔卡片，回頭再讀進來。因此，ENIAC的程序和巨人機一樣是存在于旋鈕和接插線板上的，盡管在研制過程中，存儲程序的概念已經(jīng)萌生，但機器的存儲容量并不允許他們將程序塞進累加器里，而進度上的壓力又允許為此再做改動。結(jié)果是，ENIAC團隊在兼具技術(shù)和想法的情況下，不得已把“第一臺存儲程序計算機”的名頭乃至存儲程序思想提出者的身份拱手讓人。

ENIAC有著比巨人機更多的旋鈕和接插線孔位，在它上面編程十分復(fù)雜。ENAIC最早的6位程序員是從莫爾學(xué)院培養(yǎng)的女計算員中選拔出來的，她們不僅聰慧過人，而且細致耐心。經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)，她們對ENIAC的工作機制了如指掌，將數(shù)學(xué)家們的想法精準地轉(zhuǎn)換為旋鈕和接插線的位置組合。她們的認真與細致最大程度上減少了BUG的出現(xiàn)，是ENIAC正常運行的重要保障。1946年2月14日，ENIAC第一次公開演示的程序就出自她們之手。ENIAC之后，她們還參與到其他具有歷史意義的計算機項目中（比如最早的商業(yè)電子計算機UNIVAC和BINAC），繼續(xù)發(fā)揮不可替代的作用。

然而，可怕的偏見剝奪了她們應(yīng)得的認可和尊重，ENIAC的交付儀式和慶功宴甚至沒有邀請她們中的任何一位。在當(dāng)時的人們眼中，她們和使用機械計算器的計算員并沒有什么不同，甚至曾被認為是站在ENIAC旁邊的模特，如果要說貢獻，那就是為男性省下了更多時間和經(jīng)歷，以從事更有技術(shù)含量的工作罷了。（在那個年代，包括計算機研制在內(nèi)的高科技工作都是由男性承擔(dān)的，如果不是戰(zhàn)爭造成的勞動力短缺，女性其實根本沒有參與的機會。）

1997年，6位程序員入選國際科技女性名人堂，歷史最終為她們正名，可惜的是其中有1位沒能在有生之年等到這一天。讓我們記住她們的名字：凱瑟琳·安東內(nèi)利（Kathleen Antonelli）、貝蒂·吉恩·詹寧斯（Betty Jean Jennings）、弗朗西斯·伊麗莎白·霍爾伯頓（Frances Elizabeth Holberton）、馬琳·梅爾澤（Marlyn Meltzer）、弗朗西絲·比拉斯（Frances V. Bilas）、露絲·泰特爾鮑姆（Ruth Teitelbaum）。

最早操作ENIAC的6位女程序員（圖片來自維基百科）

1947年6月27日，?？颂厝〉昧薊NIAC的專利。阿塔納索夫?qū)Υ舜鬄檎痼@，他與莫奇利在美國科學(xué)促進協(xié)會（AAAS）1940年的冬季會議上認識，并在第二年邀請過莫奇利前去參觀他們正在研制的ABC，兩人就計算機的設(shè)計做了一星期的深入交流，這意味著，莫奇利很可能從ABC中得到許多啟示。而長久以來，人們都誤認為第一臺電子計算機是ENIAC，而對ABC一無所知。1967年，美國兩家公司為此打了一場官司，經(jīng)過長時間的取證和前后135天的聽證會，法院最終在1973年10月19日宣布ENIAC的專利——這份長達207頁、凝聚了無數(shù)智慧和心血的專利——無效。這稱得上是一次著名的“冤假錯案”了，畢竟此前阿塔納索夫并沒有為ABC申請專利，而打官司的也不是ABC和ENIAC的設(shè)計者本人，最重要的是，ENIAC實現(xiàn)了許多ABC所沒有的功能，并且切實地投入了實際應(yīng)用（而ABC更接近于一臺未能完整實現(xiàn)的原型機）。時過境遷，歷史終會給出更公正的判決：ABC名至實歸是第一臺電子計算機，而ENIAC是第一臺通用電子計算機，兩者并無沖突。

1955年10月2日23:55分，運行了近10年的ENIAC正式退役，如今，其部件散藏于賓夕法尼亞大學(xué)、美國陸軍軍械博物館、美國計算機歷史博物館、史密森學(xué)會等多家機構(gòu)。1996年，ENIAC誕辰50周年之際，賓夕法尼亞大學(xué)出資在一塊長7.44毫米、寬5.29毫米的芯片上實現(xiàn)了ENIAC的全部功能，完成一次寓意深長的隔空致敬。

芯片上的ENIAC（圖片來自維基百科）

參考文獻

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• IDG. Q&A: A lost interview with ENIAC co-inventor J. Presper Eckert[EB/OL].
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• Eckert J P. Electronic Numerical Integrator and Computer: US3120606[P]. 1947-06-26.