コンピューターは『三体』の登場人物を理解できない？気にしないで、まずはこれを見てください！

『三体』を読んだことのある友人なら、あの有名な架空のシーンを今でも覚えているはずだ。フォン・ノイマンが秦の始皇帝に、3000万人の兵士からなる人間列計算機を手配するよう依頼したのだ。黒と白の旗を持った兵士が示す信号が二進法の計算に取って代わりました。

写真はテレビシリーズ「三体」のスクリーンショットです

落ち着いて！ AND ゲート、OR ゲート、NOT ゲートの論理ゲート回路を今すぐ理解する必要はありません。コンピュータのハードウェア システムの基本構造を広く見てみましょう。

現代の電卓のさまざまなハードウェア部品を例にとると、適切な対応関係を作成できます。

マウス、キーボードなどの入力デバイス。

コントローラと演算装置は、まとめて中央処理装置、つまりCPU（Central Processing Unit）などと呼ばれることもあります。

ストレージは、その名前が示すように、メモリ スティックやハード ディスクと呼ばれるものです。

出力デバイス: モニター、プリンター、スピーカーなど。

このハードウェア コンポーネントのセットは、それを作成した数学者にちなんでフォン ノイマン システムと呼ばれています。しかし、それは彼が空想で思いついたものではなく、むしろ先人たちの経験をまとめたものでした。なぜなら、電子計算機が普及する前は、手動計算機や機械計算機の時代があったからです。フォン・ノイマンは、巨人の肩の上を歩くことを意味する「経路依存性」という創造的なルールにも従いました。次に調べてみましょう。

皆さん、すぐに思い浮かぶ電卓の例を教えてください。

ほとんどの人が思い浮かべるのは、下の写真のような、電源が入っていて自動的に計算できる電子計算機だと思います。キーを使用してデータと計算ルールを入力するだけで、結果が自動的に電子画面に出力されます。あまりにも一般的すぎて目立たない...

トゥチョンクリエイティブ

もしあなたが最近時代劇を見たのなら、おそらくまだそろばんが巧妙にカチカチと鳴っているのを思い浮かべるでしょう。そろばんを使った計算はすべて、珠を動かして手作業で行います。計算プロセスは今でも私たちの脳に記憶されたそろばんの公式に依存しており、珠の配置の変化によって記憶された結果が表示されます。このタイプの計算機は手動計算機であり、自動計算は実行できません。

あなたを不安にさせておくつもりはありません。この記事では、この 2 つの中間に位置する機械式計算機について説明します。

01

機械式計算機のモダンなシルエット

第一次産業革命は、人間や動物の力に代わって機械が使用されるようになったことを特徴とし、人類は機械の時代に突入しました。第二次産業革命は電気の大規模な応用に代表され、電気の時代に入りました。私たちは現在、第三次産業革命の真っ只中にあり、さまざまな情報技術や技術革新によってもたらされた現代的な利便性を享受しています。もっとはっきり言えば、物事の原理が一目では分からない時代なのです。

計算機の発展も上記の時代の流れに沿って、手動計算機から電子計算機までの3つの段階を経て、その間には機械計算機の段階も経てきました。ただ、この段階は「急速な発展」の中で失われ、私たちの前に現れなかったかのようにさえ思えるのではないでしょうか。結局、40歳以下の人が生まれると、周りのすべてが電化されます...電気のことです。

しかし、現実には、機械式コンピューターの身近な存在は、今でも私たちの身近に存在しています。信じられないなら見に来てください。

02

後の機械式計算機

まず、機械式計算機時代の比較的後期の機械である Divisumma 24 を見てみましょう。この機械は、1 分間に 250 サイクルの速度で、加算、減算、乗算、除算を高速に実行できます。この機械は、マルチェロ・ニゾーリによって設計され、1963年9月からイタリアのオリベッティ社によって量産されました。この機械式計算機が紹介対象に選ばれたのは、1970年代に市場で大きな成功を収め、合計約600万台が生産され、同社の機械式計算機の中では世界で最も売れたモデルでもあったためです。

この機械式計算機は、機械式計算機の時代では比較的後期の製品であるため、純粋に機械的な設計ではなく、駆動するための電源として外部の 70 ワットのウォーム ギア モーターが必要です。機械の中には回路基板やセンサーはなく、理解できないほどハイテクな最新部品もありません。ギア、バネ、コネクティングロッドなど、連携して動作する機械部品はわずか約 3,800 個です。これは、デビュー当時、そのような機械技術のレベルがすでにピークに達していたことを示しています。

Multyplus1からの画像

操作時には、計算する数値を入力するだけで、計算の各段階と出力結果が 2 つの異なる色のインクに分割され、機械の上にあるロール紙テープ上に印刷されます。下の図では、機械の計算時間を観察することで、さまざまな操作規則の下でのこの機械式計算機の計算速度を把握できます。たとえば、12 に 45 を足すと、計算結果の 57 がほぼ即座に紙テープに出力されました。しかし、45 を 78 倍した値 3510 を計算するには一時停止が必要です。

画像提供：アンジェロ

以下のビデオは、1962 年の Divisumma 24 の組み立てビデオで、工場の組み立て担当者のトレーニング用に録画され使用されました。 3,800 点もの部品の組み立ては、21 世紀の人間でも苦労せずには理解できないもの...。「こんなものを設計できる頭脳はどこにあるのだろう」とため息をつくしかありません。

ビデオソース: Archivio Nazionale Cinema Impresa

03

類似のタイプライター

これを見て、よく観察してみると、この機械式計算機はタイプライターに少し似ていることに気が付きましたか?同じキーの押下が入力として機能し、同じ紙テープへの入力が出力となります。あなたの大胆な推測を教えてください。はい、確かにデザインは似ていますね！エンジニアのカミロ・オリベッティが 1908 年に自身の名を冠した会社を設立したとき、彼は当初タイプライターを製造していました。

同社が1950年代に製造したタイプライター「Olivetti Lettera 22」を見てみましょう。当時の最も象徴的なタイプライターの 1 つとして、1959 年にイリノイ工科大学によって過去 100 年間のベスト デザイン製品にも選ばれました。このタイプライターも、機械式計算機 Divisumma 24 の設計者である Marcello Nizzoli によって設計されました。ニューヨークのMoMA（近代美術館）に行く機会があれば、この常設コレクションも見ることができます。

画像提供：YEGTypewriters

04

デザインの融合

このような類似したデザインは、デザイン手法における「デザインの収束」という現象を引き起こします。場合によっては、ユーザーの認知コストを削減し、新しい製品に素早く適応できるようにするために、商用デザインの一部の機能とレイアウトがより類似したものになることがあります。さらに、これにより、デザイナーの革新に対するプレッシャーも軽減され、工場での大量生産における金型開封や作業者の組み立ての負担も軽減されます。デザインの歴史では、先人が木を植え、後世の人々が木陰を楽しんできたともいえます。

デザインの収束があるからこそ、たとえ素晴らしいアイデアが科学技術の急速な発展によって次第に排除されても、誰が誰を模倣したのかはわからなくなり、過去の技術の痕跡を常に発見できるのです。今では上の写真のような機械式タイプライターを使う人は少ないですが、私が今入力しているキーボードやモニターに表示されるテキストは、別の形の電子計算機として、過去に世の中に存在していた痕跡を今も引き継いでいるのではないでしょうか。

05

初期の機械式計算機

私たちはその後の機械式計算機を見て、その精巧な構造に衝撃を受けました。心を落ち着かせるために、初期の機械式計算機を見てみましょう。 300 年以上遡ると、1642 年にブレーズ パスカルによって発明されたローラー式加算機、パスカル計算機としても知られています。この機械式計算機は、2 つの数値の加算と減算を直接実行できます。

その年、発明者はまだ19歳で、当初の目的は税務官であった父親の負担を軽減することだけでした。パスカルという名前は聞き覚えがありますか?中学校の理科で習う圧力の単位「パスカル（Pa）」は、彼の多大な貢献にちなんで名付けられました。これは科学史上傑出した数学者、物理学者、化学者、気象学者です...

下の図で実際の操作を見てみましょう。下のダイヤルを回して 2 つの数字を順番に入力し、加算または減算演算を実行します。

イヴ・セラによる画像

単一のターンテーブルの内部リンク機構の内部の仕組みを簡単に見てみましょう。

Colegiul 経済イオンギカからの画像

異なるターンテーブル間の連携は、ターンテーブルの値が 10 に達すると、つまり 1 回転すると、この歯が 2 番目のギアを駆動してシフトを完了するというものです。

06

追加用水道メーター

昇降装置のこの小さな機械構造についてはよくご存知のはずです。水道メーターは、実際には 21 世紀でもまだ使用されている機械式の加算計算機ですが、今では家庭の水道使用量を自動的に計算します。

流速水量計を分解して下層部を見てみましょう。この画像は流体力学シミュレーションデータからのものです。いわゆる速度水量計は、水の流れの速度によって水の消費量を計算する機械構造です。水の流れをシミュレートする小さなボールが最初にフィルターを通過し、次にキャビティ内のインペラを駆動して回転することがわかります。

Tintschl BESt AG の画像 (英語)

インペラと同軸に接続されたギアは、水道メーターの上層まで伸びます。減速ギア一式がここにあります。次に、読み取りディスクを駆動し、ディスクが前進して加算結果を表示します。同様に、後部のターンテーブルは 1 回転して 1 回の運搬を完了します。ギアはこの種の機械装置の心臓部となっていると言えます。

画像はTech & Lifestyleより

機械式計算機の段階における最初と最後のマシンの簡単な紹介。このタイプの機械の開発における最大の制限は材料そのものであることが分かります。機械部品自体の品質により、組み立てと設計が極めて複雑になります。しかし、機械式計算機が非常に高い評価価値を持つのは、まさにその機械構造の複雑さゆえであり、それが人々が「スチームパンク」というSFのテーマに魅了される理由でもあるのかもしれません。幸いなことに、私たちの人生は常に過去の知恵の上に築かれますが、表現の形式は異なります。

参考文献:

[1]http://www.marcello-nizzoli.com/

[2]https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_690100

[3] 著書: 01 世界を変えるオペレーションズ・リサーチと創意工夫:機械式コンピュータの発明の歴史

著者: 張金妙、ロンドン大学ゴールドスミス校デザイン実践修士

レビュー |中国科学院大学人文学部教授 王 陽宗

この記事は「中国科学普及」によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。