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哈佛的馬克電腦

林一平手繪之艾肯(Howard Aiken)。林一平提供

我最早聽過的馬克一號、二號、三號,是艾肯(Howard Aiken)在哈佛大學研發的電腦。艾肯是哈佛物理系博士生,每天花很長的時間拿著鉛筆計算。當時已有打孔卡計算機(一次只能執行一個算數運算),但需人工操作。他想,如果這些計算能自動完成多好。

1937年,艾肯寫了一份22頁的備忘錄,提出了電腦的初步設計,將打孔卡計算機修改為完全自動化,以執行廣泛的算術和數學函數。他的想法由編碼指令序列控制,並且在特定過程開發後自動運行。艾肯發明了艾肯碼(the Aiken code),也稱為2421 code碼,用於電腦的編碼。

1944年艾肯設計的馬克一號是全世界第一部「萬能通用」且全自動化的計算器(Universal and Fully-Automatic Calculator) ,一旦啟動一個計算程序,不需任何人工操作可自動完成。這部機器使用765,000個零件、800公里的電線,總重量4,500公斤。馬克一號可以執行四則運算、三角函數及對數的演算法。不過這部機器有點龜速,做一次乘法需要3~5秒。

1947年艾肯完成改良的馬克二號,以快速的電磁式繼電器(Electromagnetic Relay)取代馬克一號的機電式的計數器(Electro-mechanical Counter),做一次乘法耗時0.75秒,比馬克一號快8倍。

馬克一號和二號都是儲存程式型電腦(Stored-program Computer),將數據(Data)及指令(Instruction)區隔,這是有名的哈佛架構(Harvard Architecture),不過在此硬體架構下,寫程式不太容易。

1947年馬克二號成員由電腦移除一隻導致繼電器(Relay)故障的2英吋飛蛾,是全世界第一次書面記錄「電腦抓蟲」(Computer Debug) 。從此以後,程式診錯就叫「抓蟲」。

1949年艾肯完成馬克三號。這部機器使用5,000個真空管和1,500個二極體,做一次乘法僅需0.44秒。馬克三號仍然採用哈佛架構,最後被范紐曼架構(von Neumann Architecture)打敗。

除了在馬克系列上的工作,艾肯的另一個重要貢獻是在哈佛大學創辦第一個電腦科學碩士課程,這個學程於1947年招生,比其他大學早10年。這成為培養未來電腦科學家的搖籃,早期有許多電腦科學家在艾肯手下完成博士論文。艾肯對早期電腦科學有相當大的貢獻。

現為交通大學資工系終身講座教授暨華邦電子講座,曾任科技部次長,為ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究興趣為物聯網、行動計算及系統模擬,發展出一套物聯網系統IoTtalk,廣泛應用於智慧農業、智慧教育、智慧校園等領域/場域。興趣多元,喜好藝術、繪畫、寫作,遨遊於科技與人文間自得其樂,著有<閃文集>、<大橋驟雨>。