不可靠的部件与可靠的机器
一名工程师需要熟练掌握电子工业技术,并且具备战时的聪明才智,才能利用不可靠的战争剩余零件建造可靠的计算机。来自新泽西州新不伦瑞克的杰克·罗森伯格,是他们家族中的第一个大学生,16岁时进入麻省理工学院。还在高三时,他曾参加芝加哥举行的主题为“一个世纪的进步”的世博会,并在科学馆(Hall of Science)里待了将近一个星期。“我看到麻省理工学院的展位,就和那里的男子交谈。他说麻省理工学院大概是最难进的学校,于是我就申请了这所大学。”
罗森伯格一开始主攻数学,但后来又转到电气工程,他以两个学位均名列前茅的成绩毕业。“1939年,当我在四处面试的时候,我看到很多同学已经在工作了,”他说,“我知道我比他们聪明,但世道就是如此。”后来,他找了一份工作:在美国陆军通信兵(U.S.Army Signal Corps)当民用工程师。美国参战后,他成了一名军官。
1945年7月,罗森伯格乘坐航速为15千米的美军运兵船,穿过太平洋驶向菲律宾,准备侵袭日本。“作为一名无线电爱好者,我大部分时间都待在广播室收听短波,”他说,“然而,由于航行速度缓慢,易于成为捕获的目标,所以禁止传输信号。”1945年8月6日,他听说了广岛遭原子弹轰炸的消息,紧随其后的是8月9日长崎遭原子弹轰炸的消息。“船上的部队指挥官和我一样,也十分震惊,”他说,“指挥官告诉我继续听广播。他发出的侵袭命令并没有改变。”然后,日本宣布无条件投降的消息传来。“原子弹拯救了我们的生命。”罗森伯格说。作为冯·诺依曼的雇员,无论他和奥本海默多么难对付,罗森伯格都从未忘记过这一点。
罗森伯格待在菲律宾南部,一直到1946年4月才离开。在美国军中福利商店,他发现了一本《军用原子能》(Atomic Energy for Military Purposes),作者为普林斯顿大学物理系主任亨利·史密斯(Henry D.Smyth),这是一本快速揭秘“曼哈顿计划”的非技术类书籍。1946年7月,罗森伯格在新泽西州迪克斯堡(Fort Dix)退役,之前他乘坐航速为56千米的涡轮机驱动轮船从太平洋彼岸返回。退役后,他立即去了普林斯顿,想寻找一份研究原子能的工作。他被普林斯顿大学物理系聘用,从事新式回旋加速器的仪器工作,但是他说:“我的热情只持续了一个月左右。”
“1947年年初,”他继续说,“我收到通知,高等研究院里一位著名的科学家正在物色一名工程师,目的是开发一种电子仪器,而这种仪器差不多只有他一个人懂。”罗森伯格与毕格罗、冯·诺依曼进行了面谈,并于7月开始工作。“军队中存在大量的反犹分子,但是对约翰尼却没有这种反对情绪。”他说。
“约翰尼过去每周都会和我们单独见一次,询问我们完成了什么、如何作业、面临什么问题、观察到什么症状、诊断出什么原因,”罗森伯格说,“每一个问题恰恰都是基于他迄今为止所发掘的信息而做出的最好的提问。他的逻辑完美无缺,他从来没有问过无关紧要或错误的问题。他的问题就像机关枪扫射一样,展示了他闪电般的快速且无差错的思维。只要大约一小时,他就让我们每个人清楚了自己已经完成的工作、遭遇到的问题,以及从何处寻找问题的原因。这就像用明亮的镜子照东西,排除所有不必要的影像,只留下重要的细节。”
当罗森伯格到达时,他所面临的问题是如何建造一个40级移位寄存器,这是计算机拥有计算能力的核心。“建造一个性能良好的2级寄存器并不难,”罗森伯格说,“当增加到3级时,偶尔会悄悄混入错误。而增加到4级,寄存器就会变得毫无用处。我们发现,真空管的电气特性与真空管手册上公布的规格信息有很大的区别,即使真空管是新的也一样。”
据罗森伯格称,在进一步的广泛测试并与各大真空管厂家协商之后(他们的回答是,没有其他人抱怨过他们的产品,即使没了我们,他们也有足够的客源),冯·诺依曼获悉“没有可靠的真空管,也没有可靠的电阻”。罗森伯格说,他的回应是“我们必须学会如何使用成千上万不可靠的部件来设计一个可靠的40级机器”,最终他们做到了。
他们由原来公布的“真空管规格信息设计”,切换到现在所谓的“最坏情况设计”,这“借鉴了当时女性服装的新时尚,毕格罗称之为‘新风貌’”。正如拉尔夫·斯卢茨的解释:“我们测试了一批数量为1000的真空管,选取我们发现的最差和最好的管,然后将它们的安全系数提高50%。”
新的设计参数从单根真空管延伸到双态元件、门、标准电路模块,最后到全面40级寄存器。在烦琐的调试后,它们都工作起来了。毕格罗还反直觉地认为,机器的整体可靠性可以通过提升速度加以改进,并指出“提升速度可能会提高确定性,并且不会带来相反的结果”。与机械设备不同,真空管的性能衰退与使用次数无关,而由使用寿命决定,其中“意外失效的数量呈现一定比例”,不受工作速度影响。因此,通过将工作的真空管降到最低,速度提升到最大,就可以达到最佳可靠性。“最后,”毕格罗说,“间歇误差是最让人难堪的,当间歇现象与运算速度大致对应时,这很难被发现。”
高等研究院的工程师们都一致声称,真空管具有可接受的数字特性,而如果针对单根真空管的规格进行测试,就会发现它的性能在很大程度上是不可接受的。这一点通过遵循毕格罗和维纳在“轰天雷”工作发展出来的原理得到了解决:将过程中每个阶段(在这一情况中,就是每比特的传输)的噪声与信号分离开,而不能让噪声一直累积。这不亚于硅的奇迹,这也是为什么今天我们具有性能如此优秀的微处理器的原因。整个数字宇宙依然带有6J6的印记。
“有一次,我们认为可以将真空管取出,就让它们运行常规的测试程序,”詹姆斯·波默林回忆说,“结果是,在生活中,你从未见过质量如此低劣的一堆管子!”
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