[科普中國]-微分分析器

微分分析器是主要用數(shù)字方法解算微分方程的專用計算裝置（機）。11931年研制成功的“微分分析儀”（DifferentialAnalyzer），是第一臺被用來解決微分方程的機械式計算機，被認為是電子計算機的先驅。2

微分分析器的研究過程

1930年，美國麻省理工學院和哈佛大學的博士V·布什，在一些工程技術人員的協(xié)助下，試制出一臺微分分析儀的樣機。這臺用于計算的裝置與現(xiàn)代的計算機很不一樣，它沒有鍵盤，占地約幾十平方米，看起來有點像臺球桌，又有點像印刷機。分析儀有幾百根平行的鋼軸，安放在一個桌子一樣的金屬柜架上，一個個電動機通過齒輪使這些軸轉動，通過軸的轉動來進行數(shù)的模擬運算。

參觀過分析儀的人說，操作者要“一手拿一個扳手，另一只手拿一個齒輪”。即使用者必須手持改錐和錘子來為分析儀編制程序。在試制出第一臺樣機后，布什又采用電子元件來取代某些機械零件。但總的來說它仍然是一臺機械式的計算裝置，它就是“洛克菲勒微分分析儀2號”。在第二次世界大戰(zhàn)中，美軍曾廣泛用它來計算彈道射擊表。

電子模擬計算機和后來數(shù)字電子計算機的出現(xiàn)，使機械模擬計算裝置完全無用了。布什研制的分析儀后來被麻省理工學院及倫敦科學博物館收藏起來。

范內(nèi)瓦·布什介紹1913年，美國麻省理工學院教授范內(nèi)瓦·布什（V·Bush）領導制造了模擬計算機“微分分析儀”。機器采用一系列電機驅動，利用齒輪轉動的角度來模擬計算結果。

范內(nèi)瓦·布什（VannevarBush），這位具有6個不同學位的科學家、教育家和政府官員與本世紀許多著名的事件都有著千絲萬縷的聯(lián)系，其中包括“"曼哈頓計劃”、硅谷、國際互聯(lián)網(wǎng)等。倒轉信息時代的時鐘，無論你審視信息技術發(fā)展史的哪個領域，范內(nèi)瓦·布什都是在那里留下過足跡的具有遠見的先驅性人物。正如歷史學家邁克爾·雪利（Michael Sherry）所言，“要理解比爾·蓋茨和比爾·克林頓的世界，你必須首先認識范內(nèi)瓦·布什?！闭且蚱湓谛畔⒓夹g領域多方面的貢獻和超人遠見，范內(nèi)瓦·布什獲得了“信息時代的教父”的美譽。

布什的一生與麻?。嬷格R薩諸塞州和麻省理工學院）結下了不解之緣。1890年3月他出生于美國馬薩諸塞州的埃弗爾內(nèi)特（Everett），在為科學和教育事業(yè)貢獻了一生之后，布什于1974年6月在馬薩諸塞州的貝爾蒙特（Belmont）逝世。從1919年起直到1971年，布什長期在著名的麻省理工學院（MIT）工作和教學。從1930年開始，在MIT擔任電子工程學教授的布什和一個研究小組開始著手設計能夠求解微分方程的“微分分析機”的工作，造出世界上首臺模擬電子計算機。這一開創(chuàng)性工作為二戰(zhàn)后數(shù)字計算機的誕生掃清了道路。40年代早期，作為羅斯?？偨y(tǒng)的科學顧問，范內(nèi)瓦·布什組織和領導了制造第一顆原子彈的著名的“曼哈頓計劃”。其后，他先后參與了從氫彈的發(fā)明、登月飛行直到“星球大戰(zhàn)計劃”的眾多重大的科學技術工程。美國政府依據(jù)布什的建議和構想批準成立的國家科學基金會（NSF）和高級研究規(guī)劃署（ARPA）等科研機構保證了美國在尖端科技領域的長期領先地位。

在信息產(chǎn)業(yè)領域里，范內(nèi)瓦·布什更是功勛卓著。美國國內(nèi)兩個著名的高科技工業(yè)園區(qū)——加州的“硅谷”和波士頓128號公路的“高科技走廊”的誕生都凝結了布什的心血。被人稱為“硅谷之父”的弗雷德里克·特曼在MIT獲得電子學博士學位的導師不是別人正是布什。1939年誕生的惠普公司是特曼的勝利，也是布什的勝利。從此范內(nèi)瓦·布什的名字與硅谷結下了不解之緣。

1945 年，VannevarBush在"AtlanticMonthly"7月號發(fā)表了一篇名為"AsWe May Think"的文章。文章描述了一種被稱為MEMEX的機器，其中已經(jīng)具備今天的超文本和超連接概念。他因此而被稱為互聯(lián)網(wǎng)先知。

MEMEX：Vannevar Bush的著作"As We May Think"中所描述的機器，以下引用。

未來的計算機將是用電的。他們會比今天的機器快一百倍甚至更多。重復的思維過程不僅限于計算與統(tǒng)計，實際上，商業(yè)事務以及不斷擴張的市場都在等待大批量制造的計算機的問世，它們中的一些將能滿足現(xiàn)在文明最挑剔的要求。

考慮一下未來個人使用的設備，它將是一個機械化的個人圖書館，它需要一個名字引起人們的注意："MEMEX"就可以。MEMEX是這樣一個機械化設備，人們可以在其中存儲書籍、記錄和信件，同時可以以很高的速度和極強3的靈活性完成檢索。作為輔助設備，它是人腦的無限擴大。

MEMEX有一個傾斜的半透明的屏幕，資料可以投影到上面進行閱讀，還有一個鍵盤，一系列按鈕和把手。

它的一端是存儲的材料，體積問題由于采用了改進的微縮膠片而得到了很好的解決。

MEMEX的大部分內(nèi)容都是直接買來的，可以直接插入。

各種書籍、圖片、期刊、報紙都可以這樣得到并插入進行閱讀，商業(yè)信函也可以，而且還備有直接輸入的設備。

當然還有用于咨詢的記錄，它們來自于日常的索引工作。如果用戶想從一本書中查找資料，他只需在鍵盤上輕輕敲出這本書的代碼，書的封面就馬上會投射到他面前的瀏覽器上。此外，他還有一個額外的"游標"可以使用，把這個游標拉到右邊，這本書就在他面前一頁頁地投射出來，速度正好可以讓人清晰地瀏覽每一頁。再向右拉一下，瀏覽的速度就可以變成每次10頁，再過去一點就是每次100頁。還有一個鍵可以讓用戶直接回到索引的第一頁。

如果在檢索時有一種更直接的方法，能進行聯(lián)系索引，就會方便許多，這就是MEMEX的基本概念：對兩個條件進行并行檢索是一個重要的要求。用戶創(chuàng)建一個軌跡時，他必須指定一個名字，插入到他的代碼本中，并且可以在鍵盤上將其調出。

這樣，不論何時，只要這些條目中有一個顯示出來，就能調出相關的條目。

完全新式的百科全書也將出現(xiàn)，互相聯(lián)系的"軌跡"貫穿其中。專利律師可以輕松查找成千上萬個已經(jīng)發(fā)布的專利，外科醫(yī)生可以參考解剖學書籍，歷史學家也可以擁有大量的個人年表。

將會有一種新的職業(yè)出現(xiàn)，那就是"軌跡制作者"，他們會從大量普通的材料中構造有用的"軌跡"并從中感受快樂。大師們的遺產(chǎn)將不只是他個人貢獻給世界知識寶庫的東西，而將成為人類共享的整體的知識框架。這時候，人們將可以通過它們制作、存儲、檢索人類的所有記錄。

暢想未來更壯觀的工具很有吸引力，而研究現(xiàn)在已知的或正在快速發(fā)展的方法和部件會很枯燥。預測是很困難的，但根據(jù)當前的情況進行預測，就更能說出其可能性，而不只是預言，還可以是一個建議，因為基于已經(jīng)存在的情況進行的預言更有效，不像是基于未知的預言那樣只是猜測。

模擬計算機電腦在當時仍屬稀有，人們對于問題的解決方案通常是寫死在表格紙上（像是曲線圖和列線圖解），用來一并解決相似的問題，比如說暖氣機里的溫度和壓力分布。

卡方分布的列線圖解二次大戰(zhàn)之前，當時的最高科技是機械式和電動式的模擬計算機，也被認為是前途光明的計算機趨勢。模擬計算機使用連續(xù)變化的物理量，像是電勢、流體壓力、機械運動等，處理表示待解問題中相應量的器件。例如在1936年制作得相當精巧的水流積算器（Water Integrator）。跟現(xiàn)代的數(shù)位電腦比起來，模擬計算機相當不具彈性，必須手動裝配（像是重新改編程序）才能處理下一個待解問題，不過早期的數(shù)位電腦能力有限，無法解決太過復雜的問題，所以當時的模擬計算機還是占有優(yōu)勢。直到數(shù)位電腦越來越快，擁有越來越強的記憶能力（像是RAM）之后，模擬計算機就迅速受到淘汰，程序設計從此成為人類另一項專業(yè)技能。

諾頓轟炸機瞄準器部分類比電腦廣泛應用在軍事瞄準用途，像是海軍船艦上的諾頓轟炸機瞄準器（Norden Bombsight）和火力控制系統(tǒng)（Fire-Control System），有些器件甚至直到二戰(zhàn)結束數(shù)十年后仍未退役，其中一個例子就是由美國海軍開發(fā)的馬克一號火力控制電腦（Mark I Fire Control Computer），從驅逐艦到戰(zhàn)列艦都看得到它的影子。

1930年，現(xiàn)代電腦之父萬尼瓦爾·布什發(fā)明微分分析器（Differential Analyzer），模擬計算機科技至此達到頂峰，大部分的零件都已經(jīng)被制造出來，終于，賓夕法尼亞大學的摩爾電機工程研究所（Moore School of Electrical Engineering）打造出最具影響力的數(shù)位電子計算機──電子數(shù)值積分計算器（埃尼阿克）。埃尼阿克的誕生終結了大部分模擬計算機的生路，不過從1950年代到1960年代，由數(shù)位電子學控制的混合型模擬計算機依然活躍，之后模擬計算機就應用在部分專業(yè)用途上。

計算機與數(shù)字圖書館在第二次世界大戰(zhàn)中，布什曾啟用自己十多年前在MIT時發(fā)明的模擬式計算機——大型微分分析儀——來幫助計算炮彈彈道，并通過彈道實驗室強力地資助了美國最早的數(shù)字式計算機的研究，這在客觀上催生了計算機時代的來臨。

關于誰是第一臺數(shù)字化電子計算器的發(fā)明者問題，在美國計算機界紛爭了多年。相當一部分人認定由莫齊利和?？颂?943年在彈道實驗室完成的“愛尼亞克”（ENIAC）計算機是世界上第一臺電子數(shù)字計算器，但也有不少人認為當年在衣阿華大學執(zhí)教的阿塔納索夫和貝利(C.Berry)發(fā)明的ABC（Atanasoft-BerryComputer）計算器，才是真正的數(shù)字計算機的“鼻祖”。為此，1973年10月，好訴訟的美國人在明尼蘇達州的一家地方法院，經(jīng)過多達135次開庭審理后，當眾宣判了這樁有關計算機發(fā)明權的知識產(chǎn)權案，判決書最后認定莫齊利和?？颂貨]有發(fā)明第一臺計算器，只是利用了阿塔納索夫發(fā)明中的構思。

用法律判決來還“電子計算機之父”的本來面目真可謂是美國人的一大發(fā)明！但判決書并不能代替歷史事實。綜合種種歷史客觀證據(jù)，可以這么說，阿塔納索夫的ABC模型機正好處于模擬計算與數(shù)字計算的門檻上，從ABC開始，人類的計算才從仿真向數(shù)字挺進，而“愛尼亞克”則標志著計算器正式進入了數(shù)字時代。這兩個機器的產(chǎn)生過程中都有布什的身影存在，前者在于思想啟發(fā)方面，后者則在強大的經(jīng)濟資助方面。

當年布什在MIT任教時期研制計算機的初衷，如前文所述，也是為了求解與傳輸電路有關的微分方程。那時為了求出一個方程的解，演算工作量大得驚人，常?；蜈に伎嘞牒脦讉€月，或浪費掉幾百張草稿紙也仍然得不出答案。有一天他突然感覺到，與其再想下去，不如制作一臺模擬計算裝置幫助求解更合算。于是從1930-1931年，布什帶領一批年輕工程師在MIT完成的一臺“大型”計算機器。說它是“大型機”并不為過，因為這臺機器自重就超過了100噸，裝備著數(shù)百根平行的鋼軸，需要用一系列電動機驅動。僅機器內(nèi)部的電線，若首尾排列起來就長達200英里。一個參觀過微分分析儀的人曾挖苦說，布什必須“一手拿扳手，一手拿改錐”才能操作機器進行計算，但當時它卻讓麻省理工學院的科學家們興奮不已，因為他們從此有了求解數(shù)學難題的有力武器。

當然，直接啟發(fā)了阿塔納索夫最初靈感的布什所發(fā)明的微分分析儀，只是一種模擬式計算機。所謂模擬，指的是它利用齒輪轉動的角度來模擬計算結果，與萊布尼茨乘法器的原理類似，它還不是真正意義上的數(shù)字計算機。布什發(fā)明的這種機器當時至少被人仿造出5臺，在二戰(zhàn)中曾幫助英國計算德軍V-2導彈的彈道表，戰(zhàn)功卓著?，F(xiàn)今在麻省理工學院和倫敦博物館里，還各收藏著一臺不太完整的這種機器，但都已不能正常運轉了。

布什在戰(zhàn)爭即將結束的1945年7月，在美國極有影響力的雜志《大西洋月刊》上發(fā)表了一篇題為“似乎我們可以思維”的論文，[8]題目中的“我們可以思維”實際上指的是“我們可以用來機器思維”。文中他整理和闡述了自己多年來關于使用微縮膠片、聲音等多媒體方式存儲和處理信息資料、達到幫助人類思維目的的思想。該雜志的編者當時在給布什的論文所加的編者按中寫道：

“作為OSRD的主任，布什博士曾協(xié)調了超過6000名的美國頂尖科學家們把科學應用到戰(zhàn)爭事務的活動，在這篇具有重大意義的論文中，他又激勵科學家們投入戰(zhàn)后的新知識領域。多年來大量的發(fā)明創(chuàng)造極大地擴展了人類的物質能力，遠超過對心智能力的提升。榔頭勝過拳頭，顯微鏡銳利了眼睛，工具如今就在手上，如果加以妥善發(fā)展，將給人類鋪就利用各時代知識遺產(chǎn)的通途。布什博士通過本文呼喚思考著的人類與我們知識總積累間的一種新型聯(lián)系?！?/p>

布什在文中指出，二次大戰(zhàn)中，科學情報在大規(guī)模軍事研究和開發(fā)工作中起到了過功不可沒的作用，在戰(zhàn)后的科學研究和發(fā)展中肯定仍有不可輕視的重要意義。文中他還首次提出將傳統(tǒng)的圖書館館藏文獻的儲存、查找機制與計算機結合起來，構思并描述了他所設想的一種稱為Memex（有人譯作“記憶擴展機”，也有人譯作“超文本存儲器”。本文從后者）的設備，其本質是機械化的個人文檔與圖書館，即臺式個人文獻工作系統(tǒng)，能存貯書、記錄和通訊的綜合裝置。美國的Ted Nelson在60年代正式提出超文本（Hypertext）的概念。進入90年代，隨著多媒體技術與互聯(lián)網(wǎng)絡技術的發(fā)展，超文本的應用更加廣泛，信息組織與管理的超文本化成為信息傳遞的基本形式。

今天，隨著計算機技術、通信技術、高密度存貯技術和多媒體技術的飛速發(fā)展，原有各種物理載體所存儲和傳輸?shù)男畔ⅲ谥鸩綌?shù)字化，電子圖書大有取代紙介質的書、數(shù)字圖書館大有取代傳統(tǒng)圖書館的趨勢。而數(shù)字化圖書館的構想就始于布什在這篇論文中所論述的思想，這使他成為人們公認的這一領域的預言者和先驅。

微分分析器的特點數(shù)字微分分析器的優(yōu)點是儀器設備不復雜，課題編排（程序）比較簡單，能與數(shù)字和模擬系統(tǒng)結合；缺點是運算速度較低。因此，它主要用于解算自動控制緩慢流程的課題，例如，飛機自動導航系統(tǒng)，其中包括軍用的。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學院工程熱物理研究所