EDSAC：从战争余烬中诞生的思想机器

EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，电子延迟存储自动计算器），是人类历史上首批投入实际运行的存储程序式计算机之一。它不仅仅是一堆由真空管、电线和水银构成的庞然大物，更是一座里程碑，标志着计算从一个纯粹的理论概念和军事工具，转变为一种面向科学研究的、可稳定使用的“服务”。1949年5月6日，当EDSAC在英国剑桥大学的数学实验室中成功运行第一个程序时，它不仅验证了John von Neumann提出的革命性架构，更开启了一个全新的时代：一个普通科学家可以借助机器的力量，探索从原子结构到浩瀚宇宙的奥秘。EDSAC的生命虽然短暂，但它播下的种子——实用的存储程序、子程序库、计算服务模式——却长成了今天我们所见的、无处不在的数字文明之树。

故事的序幕，在第二次世界大战的硝烟刚刚散尽的欧洲拉开。那场席卷全球的冲突，如同一座巨大的熔炉，以前所未有的速度催化着科技的变革。雷达、喷气式发动机以及破译德军密码的神秘机器，都在悄然预示着一个新纪元的到来。在这些技术的背后，一种更深层次的变革正在酝酿——电子计算的力量。

在英国，一位名叫Maurice Wilkes的年轻物理学家，亲身参与了战时雷达的研发。战争让他深刻体会到电子电路的潜力，但真正点燃他心中火焰的，是一次跨越大西洋的“朝圣之旅”。1946年夏天，Wilkes获得机会前往美国宾夕法尼亚大学的摩尔电气工程学院，参加一个关于“电子计算设备理论与技术”的讲座。 这次讲座云集了当时美国计算领域的顶尖头脑，他们刚刚完成了世界上第一台通用电子计算机——ENIAC。然而，真正让Wilkes感到振聋发聩的，并非ENIAC那令人眼花缭乱的规模，而是一份名为《关于EDVAC的报告初稿》的文件。这份由数学巨匠John von Neumann主笔的报告，提出了一种石破天惊的构想：存储程序概念 (Stored-program concept)。 在ENIAC的时代，所谓的“编程”是一项艰苦卓绝的体力劳动。工程师们需要像电话接线员一样，手动插拔成千上万根电缆和开关，才能让机器执行一项新任务。这个过程耗时数天甚至数周，效率极其低下。而冯·诺依曼的构想则彻底改变了这一切。他提出，程序的指令（Instructions）和需要处理的数据（Data）不应该被物理隔离，它们本质上都是信息，完全可以以同样的形式存储在计算机的记忆体中。 这个看似简单的想法，却是一次根本性的解放。它意味着，计算机不再是僵化的、一次只能做一件事的机器。只要向内存中加载不同的程序，它就能摇身一变，从一个弹道计算器变成一个数据分析器，或任何你希望它成为的东西。计算机从此拥有了灵魂——软件。

Wilkes如获至宝。他带着这份报告的副本，怀着满腔热情返回了剑桥大学。他的脑海里盘旋着一个清晰而宏大的目标：他不仅要建造一台计算机，更要建造一台能为整个大学服务的、真正可用的计算机。他洞察到，这台机器的价值不在于其本身，而在于它能为科学家们解决什么样的问题。这在当时是一个极具前瞻性的愿景——他要创建的不是一个工程奇迹，而是一个计算服务中心。 于是，在百废待兴的战后英国，在一间略显局促的数学实验室里，一个伟大的计划悄然启动。这个计划的名字，就是EDSAC。

建造EDSAC的征途，是一场与稀缺资源和技术极限的搏斗。战后的英国物资匮乏，Wilkes的团队规模很小，预算也相当有限。但他们拥有更宝贵的东西：清晰的目标、务实的精神和非凡的创造力。Wilkes后来回忆道：“我深知，要维持团队的士气，就必须不断取得一系列短暂的成功。”这种务实的理念，贯穿了EDSAC整个建造过程。

计算机的核心是存储器，而EDSAC的存储器，是那个时代最具想象力的技术奇迹之一：延迟线存储器 (Delay-line memory)。 想象一下，你对着一条长长的隧道大喊一声，声音会在隧道中传播，片刻之后，你才能在另一头听到回声。延迟线存储器正是利用了这个原理。EDSAC的“隧道”是数十根装满了水银的钢管，每根长约1.5米。在钢管的一端，一个压电晶体会将电子脉冲（代表二进制的1）转换成超声波，使其在水银中传播。当声波到达另一端时，另一个晶体再将其转换回电子脉冲。这个脉冲经过放大和整形后，再次被送回管道的入口，形成一个循环。 只要电力持续供应，一个比特的数据就能以声波的形式，在这根水银管中无休止地“奔跑”，从而实现了信息的存储。整个EDSAC的内存由32根这样的水银管组成，总容量仅为1024个“字”（word），每个字17比特，换算成今天的单位，大约只有2KB。这在今天看来微不足道，但在当时，这足以容纳一个复杂的科学计算程序。当EDSAC运行时，实验室里弥漫着延迟线工作时发出的微弱而持续的嗡嗡声，仿佛是巨人在低语，诉说着数字的奥秘。

如果说延迟线是EDSAC的记忆，那么它的思维则由近3000个真空管构成。这些玻璃管，如同今天芯片中的晶体管一样，是构成逻辑门电路的基本单元，执行着最基础的“是”与“非”的判断。 它们密密麻麻地排列在十几个巨大的机柜中，运行时散发出惊人的热量，并将整个房间照得通亮。真空管的寿命很短，而且极其脆弱，任何一个损坏都可能导致整个系统崩溃。因此，维护EDSAC的工程师们每天都要像医生巡房一样，仔细检查每一个真空管的状态，随时准备替换掉那些“烧坏”的灯泡。这台机器消耗的电力高达12千瓦，足以在冬天为整个实验室供暖。

如何将程序和数据喂给这头庞然大物？答案是穿孔纸带。这是一种古老而可靠的输入方式。程序员们先将指令和数据用专门的打孔机打在长长的纸带上——有孔代表1，无孔代表0。然后，将纸带送入EDSAC的光电阅读器。当纸带高速通过时，光束会穿过小孔，被另一侧的传感器接收，从而将信息转换成电子信号。 输出结果同样依赖于机械设备——一台电传打字机，它会将计算结果“嗒嗒嗒”地打印在另一卷纸带上。整个输入输出的过程，充满了机械的嘈杂和节拍感，与机器内部宁静的电子运算形成了鲜明的对比。 在Wilkes和他团队的日夜奋战下，这台由水银、玻璃和钢铁构成的巨人，在剑桥的实验室里，一点一点地从图纸变为现实。

1949年5月6日，这是载入计算机史册的一天。经过近三年的艰苦工作，EDSAC终于准备好迎接它的第一次大考。实验室里气氛紧张，Wilkes和他的团队围在机器旁，屏息以待。

他们装入了一段简单的程序。这个程序的任务是计算从0到99的平方数，并将其打印出来。当启动开关按下后，纸带阅读器开始转动，电传打字机沉寂了片刻，然后，奇迹发生了。 “嗒…嗒嗒…嗒……” 打字机开始有节奏地敲击，纸带上出现了一行行整齐的数字：0, 1, 4, 9, 16, 25… 一直持续到9801。成功了！随后，他们又运行了另一个稍复杂的程序，用于计算素数列表。机器再次完美地完成了任务。 这一刻，虽然没有烟花和香槟，但其意义不亚于任何一场庆典。它宣告了一个新时代的到来：存储程序式计算机，在实践中是完全可行的。 这台机器，第一次依靠存储在自己记忆里的指令，自主地完成了复杂的计算任务。这便是属于那个时代的“Hello, World!”，是人类创造物第一次展现出“自主思考”能力的时刻。

EDSAC的伟大，并不仅仅在于它的硬件成功，更在于它在“软件”思想上的革命性贡献。Wilkes深知，要让科学家们方便地使用这台机器，必须降低编程的门槛。为此，他引入并系统化了一个至关重要的概念——子程序 (Subroutine)。 子程序，就像是菜谱中的一个预制步骤。比如，在很多科学计算中，都需要反复进行求平方根、计算三角函数或对数等操作。如果没有子程序，程序员每次都需要重写一遍这些复杂的代码。而有了子程序，就可以将这些常用功能编写成一个个独立的、标准化的模块，并存储起来。当程序需要执行某个功能时，只需一个简单的“调用”指令，就像在菜谱中写上“参见‘红烧酱汁’制作方法”一样，计算机就会自动跳转到相应的子程序去执行，完成后再返回主程序。 Wilkes的团队为EDSAC建立了一套详尽的子程序库，并将这些“配方”整理成册，供所有使用者查阅。这套子程序库，堪称是现代软件库和API（应用程序编程接口）的雏形。它极大地提高了编程效率，使得程序员可以将精力集中在解决科学问题本身，而不是重复性的编码劳动上。Wilkes本人后来也认为，对子程序和程序库的系统化，是他一生中对计算领域最重要的贡献。它标志着软件开发从一种个人化的“手艺”，开始向规范化的“工程”迈进。

随着第一个程序的成功运行，EDSAC迅速从一个实验品，转变为剑桥大学乃至整个英国科学界不可或缺的研究工具。它真正实现了Wilkes的初衷，成为了一个高效运转的计算服务中心，其影响力迅速渗透到各个前沿科学领域，催生了一系列诺贝尔奖级别的重大发现。

在生物学领域，EDSAC扮演了至关重要的角色。当时，剑桥大学卡文迪许实验室的两位科学家，约翰·肯德鲁 (John Kendrew) 和马克斯·佩鲁茨 (Max Perutz)，正在进行一项艰巨的工作：利用X射线晶体衍射技术解析蛋白质的分子结构。 他们面临的挑战是海量的数据处理。要从复杂的衍射图像中反推出原子的三维空间排布，需要进行当时看来天文数字般的傅里叶变换计算。依靠人力，完成一个蛋白质的结构解析可能需要数十年甚至一生。 EDSAC的出现，成为了他们的“神兵利器”。他们成为了EDSAC的第一批“用户”，将成千上万的衍射数据打在穿孔纸带上，喂给这台机器。EDSAC夜以继日地运转，将原本需要数年的人工计算缩短到几周。最终，在EDSAC的强大算力支持下，肯德鲁和佩鲁茨成功解析了肌红蛋白和血红蛋白的结构，揭示了生命活动在分子层面的基本规律。这项开创性的工作，让他们在1962年共同获得了诺贝尔化学奖。可以说，没有EDSAC，现代分子生物学的大门或许要晚很多年才能被推开。

EDSAC的力量也延伸到了广袤的宇宙。射电天文学家马丁·赖尔 (Martin Ryle) 当时正致力于用他自制的射电望远镜阵列绘制天空的射电资源图。这同样涉及到对海量干涉信号的复杂处理。EDSAC帮助赖尔和他的团队处理了这些来自遥远星系的微弱信号，极大地提高了射电源定位的精度。这些工作为后来宇宙大爆炸理论的完善提供了重要的观测证据，赖尔也因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖。

在这些严肃的科学研究之外，EDSAC的历史中还有一个充满趣味的注脚。1952年，一位名叫亚历山大·道格拉斯 (Alexander S. Douglas) 的博士生，为了他的博士论文——关于人机交互的研究，在EDSAC上编写了一个名为“OXO”的程序。 这其实就是我们今天所熟知的井字棋游戏。玩家通过一个转盘电话式的设备输入自己的落子位置，而EDSAC则扮演对手。游戏的棋盘和进程，被实时显示在一个35×16像素的阴极射线管（CRT）显示器上。这不仅是人类历史上第一个在电子屏幕上进行实时交互的程序，更被广泛认为是世界上第一款图形化电子游戏。虽然它的初衷是学术研究，但“OXO”无意中揭示了计算机的另一种潜能——作为娱乐和交互的工具，为半个世纪后蓬勃发展的电子游戏产业埋下了最早的伏笔。 此外，EDSAC的设计还直接启发了世界上第一台商用计算机——LEO I (Lyons Electronic Office)的诞生。英国食品和餐饮巨头J. Lyons & Co. 公司看到了EDSAC在数据处理上的巨大潜力，决定资助并复制其设计，用于公司的库存管理、工资计算等商业活动。这标志着计算机正式从学术象牙塔走向了商业世界。

在日新月异的科技浪潮中，即使是巨人也有退场的一天。进入20世纪50年代中期，更新、更快、更可靠的技术开始涌现。以铁磁性材料制成的磁芯存储器取代了笨重且不稳定的水银延迟线；小巧、节能且寿命更长的晶体管也开始取代高热、易损的真空管。 与这些新生代的计算机相比，诞生于战后初期的EDSAC，其技术架构已显老态。它那标志性的水银管和真空管，从昔日的创新之光，变成了过时的象征。

1958年7月11日，在为剑桥大学的科研工作服役了整整九年之后，EDSAC执行了它的最后一次计算。随后，工程师们切断了电源。那近三千个曾如繁星般闪烁的真空管逐一熄灭，实验室里那持续了近十年的、象征着思考的嗡嗡声也归于沉寂。这台开启了实用计算时代的巨人，就此完成了它的历史使命。 它的部件被拆解，部分被博物馆收藏，但它真正的遗产，早已融入了数字世界的血脉之中，不可磨灭。

EDSAC的生命周期虽然只有短短九年，但它的影响却异常深远，它在历史上留下了几个“第一”的烙印：

• 第一个可用的存储程序计算机： 它向世界证明了冯·诺依曼架构的现实可行性，将计算机从理论带入了实践。
• 第一个计算服务模型： Wilkes的远见，使EDSAC成为一个开放给众多科学家的公共计算平台，开创了“计算即服务”的先河，这一理念至今仍是云计算等现代服务模式的核心。
• 第一个系统的子程序库： 它奠定了软件模块化和代码重用的基础，是现代软件工程思想的萌芽。
• 第一批重大科学发现的催化剂： 从诺贝尔奖级别的生物学突破到射电天文学的进展，EDSAC证明了计算是继理论和实验之后的第三种科学研究范式。
• 第一台商用计算机的蓝本： 通过LEO I，EDSAC的思想播撒到了商业领域，开启了计算机改变社会经济的序幕。

今天，当我们手握比EDSAC强大亿万倍的智能手机，轻点屏幕就能完成全球通信、高清娱乐和复杂计算时，我们或许很难想象那个在剑桥实验室里，由水银、真空管和穿孔纸带构成的庞然大物。然而，我们数字生活的一切根基——存储在设备里的App（存储程序）、软件开发中无处不在的函数库（子程序库）、通过网络获取的各种云服务（计算服务）——其最古老、最纯粹的思想源头，都可以追溯到那台在战争余烬中诞生的思想机器。 EDSAC早已化为尘土，但它点燃的计算之火，却穿越了七十余年的时光，照亮了我们今天的整个世界。