快速电子数字计算机——人类得力的助手 [复制链接]

第7版()
专栏：

快速电子数字计算机——人类得力的助手
范新弼
十余年来，电子数字计算机已经有了很大的发展。从数量上说，现在世界上已有成千上万台电子数字计算机。其中有装置几万个电子管或晶体管，重达百吨，每秒运算万次以上的大型计算机；也有用几百个晶体管做成的只重几十公斤和每秒运算千百次的小型计算机。它已能计算非常复杂的数学问题，如原子核理论、宇宙飞船的轨道及国民经济建设和生产上的数据等。苏联成功地发射的远程火箭和受到控制而返回的宇宙飞船，在发射前和发射后都是用计算机来计算如何使它们准确地进入轨道，并使飞船在预定地区降落的。降落地点的惊人准确就是电子计算机运算高度精确的证明。数字计算机的应用甚至已扩展到一些非计算性运算的逻辑操作领域，如文字翻译、语言学、心理学、生物学及医疗诊断等方面。它是现代科学中联系很广的新兴的综合性技术科学。
数字计算机的基本特点在于它能自动依照一定程序对数字进行快速技术操作。它的操作速度可以达到每秒几千几万次，甚至更高。它既有很快的速度又能得到很精确的结果，从而大大扩大了人类能解算的问题的范围。有些题目（像原子核理论和超音速飞机的设计等）的解答要经过亿次以上的算术运算。有些问题以前人们不能求得精确的解答。即使用电动计算机来计算，也需要几年的时间。所以通常只好采用近似或实验的方法来估计。快速电子计算机的出现，就使这些问题可以在几天或更短的时间内得到较精确的解决。这样就使科学及工程上许多复杂高深的问题得到解答，使很多巨大工程的设计得以找到最优方案。天气预报，原子能反应堆的控制，宇宙飞船及火箭的控制等，如果没有快速电子计算机，就无法及时和精确地进行。快速电子计算机使人类从大量的不需要创造性的脑力劳动中解放出来，从事更高深更复杂的创造性的脑力劳动。
计算机的结构体系
计算机的结构原理与人类作算术运算相似。计算机有与外界联系的输入设备和输出设备。这些设备把要计算的数据和程序交给机器，机器便进行运算并把计算结果打印出来。当算题交给计算机后，计算机要把这个题目的数据和解题的程序记载下来。计算机内的存贮器就像人的大脑一样，起着“记忆”作用。在存贮器中，程序和数据是被寄存在依次排列的存贮单元中的。计算机的运算器负责加、减、移位等运算和逻辑操作。而控制器就像神经中枢一样来控制各部件在什么时候进行什么操作。
要计算机自动快速地进行操作，就必须使机器“知道”要作什么操作和对什么进行操作。这就需要使用者和机器有一种共同的“语言”。机器的语言分两部分：表示数据的数字系统和表示进行什么操作的指令系统。人类一般使用的数字系统是十进位制，算盘的数字系统是二五进位制。为了更好地使用自然的物理现象如电流的通与不通，磁场的正向与负向等来代表数据和信息，计算机一般是采用二进位制，也就是把每个数位标作“0”或“1”。数据的表达就决定于所采用的数位长度和小数点位的规定。这样，机器语言中的一个数据的形式就确定了。
计算机要“知道”对存贮器中哪些地址的数据或信息进行什么操作，就需要在设计机器时结合要求规定一些最基本的指令，如开始、停止、加、减、移位、存数、印出结果等。这就组成机器语言的指令系统。这种词汇也同样可以用数码的形式来表示。在机器中这些指令的代码也可以当作数据来存贮和加工。
正如邮电通讯系统的脉冲调制一样，计算机的数字讯号“1”和“0”，也可以用在一定时间里脉冲电波的有与无来表示。对这些脉冲进行控制也就是对数据进行操作。所以通讯和雷达等系统中的一些信息转换和传送的技术和设备，都可以用到计算机上来。这些设备基本上构成了计算机的输入输出系统。
从外面输入的数据和指令程序，以及运算器每次运算的结果，都要在存贮器里保存。要计算操作快速，就需要存贮器能够很快地存入和取出数据和指令。存贮器的容量越大，寄存的数据、指令、图表、标准程序等就越多，计算机的本领也就越大。但计算机要做到既快又大，有一定的困难。一般来说，磁心存贮器操作快而容量较小（可存几千几万个数），磁带机和磁鼓装置操作慢而容量较大（可存几十万几百万个数）。目前是采用磁心存贮器作内存贮器，用磁带磁鼓装置作外存贮器。这样的联合使用可以取长补短，分途解决快与大的问题。
计算机如何解算数学问题
首先，要找出适当的算法，并把它简化为机器所能操作的形式，即机器语言系统所包含的指令操作，如加减乘除等。其次，要把这些操作依一定的要求编制成指令的程序，使机器遵照执行。由于计算机中计算的连贯性，一条指令上的个别错误可能使计算结果全部作废，所以如何更快更可靠地编制最短最正确的程序是计算数学工作者和程序设计工作者共同的任务。
由于几乎所有的数学问题的数值解都可以化为简单的四则运算，所以数字计算机原则上可以解答任何数学问题。这样，它就具有通用的性能。也有应特殊要求设计的专用计算机。以气象预报为例，就需要从全国各气象站所获得的观察数据（如温度、湿度、风向、风速等）为初始及边界条件，解一套复杂的微分方程和代数方程。计算结果的准确度随所取用的初始和边界条件的多寡而定。初始条件多，解算的次数也多。这些计算有很多是需要有一定的先后次序，不能同时进行的。就以极简单的计算说，如用每小时运算二百次的台式自动计算机，也至少要两三个星期才能得出结果，对指导次日的气象预报就失去了意义。只有采用比电动计算机快万倍以上的电子计算机，才能迅速得出准确的气象数据，作出正确的天气预报。
计　算　机　的　应　用
计算机的应用，在进行有计划按比例的经济建设事业中显得特别重要。工农业生产和产品分配的统筹安排计划需要作很多的统计、平衡工作。这些工作需要结合运筹学在符合社会主义经济发展规律和适合于国民经济高速度发展的前提下，找出最优的计划方案。我国国民经济各个部门都在突飞猛进，旧的平衡很快就被突破，需要不断建立新的平衡。这就需要几亿次以上的计算。快速电子计算机的应用有十分重要的意义。
电子计算机在自动控制系统中的应用很有发展前途。一般说来，计算机能在各种环境下（如高温、高压、化学变化、放射性等）作精密、准确的快速操作。在生产过程自动化方面，用了计算机就能提高生产率、提高产品的质量，节约原料，减少人力。用计算机程序控制机来进行切削是目前应用较多的一种。例如把加工的程序以座标系统的数字形式纪录下来，然后计算机依这些座标去控制刀口切削，这样就可以单向地去控制一组机群。这是一种比较低级的控制形式。它也能在化学、石油和炼钢轧钢工业等这些较复杂的连续生产过程中作自动控制机用。它能依据产品质量的分析、原料的成份、外界条件的变化等因素，经过计算，自动调节和引导工艺过程处于最佳状态，用最少的原料，最短的时间生产出最多最好的成品。它也可以在一个复杂的自动化系统中作控制机，如作为电力系统中的调节输配机，火车及飞机的自动司机，反应堆的自动控制等。它能在这些系统中起自动调整、修正甚至是组织机构的作用。
就计算机在逻辑或非计算性方面的应用来说，翻译机器可将外国文译成本国文，图书情报机可以将图书资料分类或作摘要，并把它们储存起来以备取用。计算机能做这些操作的主要原因，就是人类的语言文字是可以用数字形式来表达的信息。正如电报号码代表字一样，语言学家提供适用于机器工作的字典、词汇和语法规则，并可用数码来代表。这种信息的数码就可以当作数据来进行加工和存储。
电子计算机还可以对信息论、控制论和心理学的某些个别心理过程进行模拟研究工作，也可以用来证明数理逻辑和数学上的理论问题。在医学上，用计算机解算统计学、概率论等数学问题来分析和诊断病情的工作，正在试验中。
计算机的发展和它的局限性
随着科学技术的不断发展，人们对计算机的要求也在不断提高。要有操作快、存储量大、输入输出的方法好和逻辑能力强的计算机，就必须开展新的元件、部件和有关技术的研究工作。同时也要对基本理论进行探讨，对计算机的逻辑体系和自动编制程序等数学和数理逻辑问题进行研究，以便提高计算机的性能。从体系上讲，目前性能较好的计算机已不是一个简单的部件的组合，而是一个包含几部计算机的计算系统了。从发展趋势来看，每秒百万次或更快的机器的出现已成为可能。信息论、控制论的研究，结合数理逻辑进行信息机与逻辑机的研制工作，都有助于计算机的进一步发展。
电子数字计算机的应用范围已超出数学和普通的逻辑问题之外，如能自动编制程序、翻译、下棋、作医疗诊断等。将来还可以改进得更灵活，使它具备看图、识字、发声等能力。但计算机并不是万能的。它只能依人们编排出的程序去进行操作。这些机器的操作也必须事先由人来规定。当人们决定了运算原则和操作方法之后，其余的工作只是执行这些原则和运算而已。利用它只能节省和代替部分的非创造性劳动。计算机作文字翻译，不过是数字的加工转换。它虽然能够逐字逐句地依人们送入机器的词汇和语法直译文字，但绝不能“独出心裁”地写出译者的注释和解说，当然更不能创作诗文了。因为后者是有思想感情、有创造性的脑力劳动。下棋或诊断也是逻辑或信息处理的一种，所以它能在人的预先全部妥善安排下操作。当没有规定或没有完全规定之前，计算机就不能操作，即使操作也不能得出正确的结果。
用电子数字计算机来做数学计算和信息加工就像人用机械的力量和汽车的快速来代替人的手和脚一样，使人类的活动能力扩大了。它的操作速度、精确性和通用性日益提高，将使它的应用更加深入人类的一些日常非创造性的脑力劳动范围。但正像工具、机械不能代替人的手脚一样，计算机是不能全部代替人的脑力劳动的。它永远只是人类的一个得力的工具。