Pilot ACE

作為最早期的通用電子計算機，Pilot ACE引於1950年5月運行了第一個程式。當時，它是世界上運行速度最快的計算機。Pilot ACE相當成功，其商業機型名叫DEUCE，由英國電氣公司（en:English Electric）製造和銷售。1955年5月，該機器退役，被送到倫敦科學博物館（en:Science Museum (London)），並保存至今。

基本介紹

• 外文名：Pilot ACE
• 釋義：早期的通用電子計算機
• 運行時間：1950年5月
• 商業機型名叫：DEUCE

PILOT ACE-簡介

PILOT ACE

Pilot ACE是一台英國的第一代電子計算機，是由英國國家物理實驗室（NPL）於1950年代早期設計製造。

ACE Pilot Model

Pilot ACE是圖靈設計的ACE的一個預選方案。在圖靈離開NPL（部分原因是由於ACE的延期而灰心）後，詹姆斯·哈迪·威爾金森接手項目，Harry Huskey協助設計。該機器在1950年5月10日首次成功運行其第一個程式，並於當年12月公開演示。

雖然最初被設計為原型機，但很明顯，該機器是一個潛在很有用的資源，特別是在當時缺少其他計算機設備的情況下。1951年底，經過一些升級後，Pilot ACE的運行變得實用，正式投入使用，而且接下來的幾年時間裡，完成了相當的運行服務。

Pilot ACE相當成功，其商業機型名叫DEUCE，由英國電氣公司（en:English Electric）製造和銷售。

1955年5月，該機器退役，被送到倫敦科學博物館（en:Science Museum (London)），並保存至今。

位於倫敦科學博物館的Pilot ACE

PILOT ACE-構造

Pilot ACE總計大約800個真空管，使用水銀延遲線作為主存。原始的存貯大小是128個32位的字，之後擴充到352個字；1954年添加了一個4096大小的磁鼓存儲器。基礎時鐘頻率是1MHz，在英國早期電子計算機中是最快的。運行一條指令的時間高度依賴於指令在存儲器中的位置（原因是使用延遲線存儲器）。一個加法可能需要64毫秒至1024毫秒。

PILOT ACE-創始人

詹姆斯·哈迪·威爾金森

詹姆斯·哈迪·威爾金森

出生： 1919年9月27日

詹姆斯·哈迪·威爾金森

出生地： 英格蘭肯特郡斯特洛特

逝世： 1986年10月5日 （67歲）

逝世地： 英格蘭特丁頓

研究領域： 數值分析

國籍： 英國

研究機構： 英國國家物理實驗室

獲獎： 圖靈獎

威爾金森1919年9月27日生於英國肯特郡的斯特洛特(Strood，Kent)，大學在英國劍橋大學三一學院接受教育，並以班級最好的成績畢業。二戰爆發後，1940年，他開始研究彈道學，並與1946年進入英國最著名的學術機構之一英國國家物理實驗室（NPL）的數學部，期間研製了電子計算機Pilot ACE。他為NPL服務長達34年，直至1980年退休，曾長期擔任NPL的學術長官。 之後任史丹福大學客座教授。1986年10月5日在英國特丁頓的家中病逝，享年67歲。

PILOT ACE-影響

作為最早期的通用電子計算機，Pilot ACE於1950年5月運行了第一個程式。當時，它是世界上運行速度最快的計算機。該款計算機是計算機先驅阿蘭·圖靈(Alan Turing)所研製的計算機較小版本。

Pilot ACE計算機被評選為百年來改變世界的十大發明是由於它在第一代計算機中所占據的地位，同時它的出現促生了當代我們所使用的計算機。

詳述

概覽

自動計算機（ACE，Automatic Computing Engine）設計為一台早期的存儲程式式電子計算機。名稱中使用“Engine”一詞是為了向查爾斯·巴貝奇的差分機（Difference Engine）和分析機（Analytical Engine）致敬。它是艾倫·圖靈應英國國家物理實驗室（NPL）數學部的監督人約翰·沃默斯利（John Womersley）的邀請而設計的。

飛行者ACE是最早的、也是運算速度最快的計算機，由計算機先驅阿蘭圖靈發明。它於1950年5月10日運行了第一個程式，之所以說飛行者ACE計算機是改變世界的科技產品，是因為沒有它，就沒有我們身邊這么多帶給我們便利的個人電腦。

Pilot ACE

設計基礎

圖靈關於ACE的技術設計《電子計算機計畫》（Proposed ElectronicCalculator）是基於他1936年的理論工作和二戰期間的工程經驗。

圖靈在他1936年發表的論文《論可計算數》（On Computable Numbers） 中提出了通用圖靈機的概念；

二戰期間，圖靈參與設計了Colossus電子計算機，成功破解了德軍的密碼系統。

1945年2月19日，圖靈向英國國家物理實驗室（NPL）執行委員會提交了一份詳細文檔，給出了存儲程式式計算機的第一份完全可行性設計。但是，圖靈已簽署保密協定（Official Secrets Act），該協定的長期保密條款嚴格禁止他透露Colossus的細節，因此他無法詳細闡述怎樣去實現ACE這樣的電子設備。與ACE相比，EDVAC受到更多的宣傳。馮·諾伊曼知曉圖靈的理論工作，在他著名的FirstDraft of a Report on the EDVAC（1945年6月30日）中描述了EDVAC的設計，但EDVAC被認為有著不完整的性質和一些過於簡潔而缺乏來源的想法。

圖靈於1945年底完成了關於ACE的報告，給出了詳細的邏輯電路框圖，預計製造費用為11,200英鎊。他認為速度和存儲器容量是關鍵，因此提議使用高速存儲器件和大容量存儲器，存儲器容量預計和早期麥金塔電腦差不多。與EDVAC不同的的是，ACE實現了子例程調用，而且使用微型計算指令（AbbreviatedComputer Instructions），這是程式語言的一種早期形式。ACE的製造計畫原定由曾在二戰中負責建造Colossus的英國郵政研究局工程師湯米·佛勞斯（Tommy Flowers）負責，但是因為他同樣簽署了保密協定，不能透露他在戰時和戰後的工作，所以無法負責ACE的製造。

圖靈在NPL的同事不了解Colossus的成就，認為建造完整ACE的工程上太宏大。在圖靈離開NPL後，威爾金森接手整個項目，建造了ACE的一個簡化版本，也是第一台ACE的實現——Pilot ACE，於1950年5月10日運行了第一個程式。它比圖靈先前設計的規模要小，使用了大約800個真空管，存儲器是水銀延遲線，它有12個延遲線，每個包含32條32位元的指令或數據，時鐘頻率為1MHz，這在當時的電子計算機中是最快的。

ACE的第二個實現是MOSAIC (Ministry of Supply Automatic Integrator and Computer)，由艾倫·庫姆斯（Allen Coombs）和威廉·錢德勒（William Chandler）為軍方建造。他們曾和佛勞斯一起在位於多利士山（en:DollisHill）的布萊切利園製造了十台Colossus，因此有豐富的工程經驗。MOSAIC安裝在電信科學研究院（TRE）即後來的皇家雷達研究院（RRE），1952年底或1953年初第一次運行，用來從雷達數據計算飛行器軌道，其技術細節仍是秘密。

Bendix Corporation的G15計算機使用了ACE的原理，其工程設計由哈利·赫斯金（en:Harry Huskey）完成。他曾在1947年任職於NPL的ACE部門，並且之後參與了EDVAC的硬體設計。首台G15於1955年運行，是簡單的單用戶機器，有時被認為是第一台個人電腦。

Pilot ACE的商業產品是英國電氣的DEUCE，共賣出了31台。第一台DEUCE於1955年春天交付使用。

大顯神威

在1954年一月10日，一架德·哈維蘭·彗星飛機——世界上的第一條商業噴氣機客機——從羅馬起飛了。

僅僅在20分鐘之後，它爆炸了，艙內35人全部遇難。

幾個月後又發生了另一起空難，這次一架彗星在飛越羅馬與開羅之間的航線時，在那不勒斯附近撞毀。

這兩起短時間內連續的事故促成了一項調查研究。

疲勞故障

經過了一系列的測試後，得到一個最終的發現，金屬疲勞是導致兩起事故的原因

測試進行時，在一缸子水建造一個飛機仿製品，然後將其暴露在高壓中——與它在半空中所體驗到的相似

這個需要一些複雜的計算——對於Pilot ACE來說這是個完美的任務，它是英國的計算機科學家阿蘭·圖靈的計算機ACE的前輩

Tom Vickers是Pilot ACE的操作管理員。在BBC的世界服務數字地球計畫中，他的孫女Harriet訪問了他一些關於早期的機器和運算的問題。

“計算機是在戰爭時期中發展出來的，不僅在美國，也是在Bletchley（英國的布萊奇利）這個他們為了破解代碼這一特殊目的建造了特殊計算機的地方。

“其中關鍵人物之一是那兒有一個叫阿蘭·圖靈的人設計了一個用電的計算機。

“他自己開始工作，而我被鼓勵加入了進去。於是，電子計算機的概念發展起來了。

儘管用計算機工作開始於1946年，但是在1950年才開始運行Pilot ACE的第一個程式。

此時，圖靈離開了這個項目，Vickers先生說，是由於圖靈對這個項目的進度感到沮喪。

然而，這個圖靈留下的想法卻足以支撐這個項目繼續進行。

“這引導了被稱之為Pilot ACE的機器的發展，它成為了圖靈所構想的全面機的開端。”

計算客戶

在展示了機器可以用來解決實際問題之後，Pilot ACE進入了公共產品之列。

基於Teddington的國家物理實驗室，其中的第一個客戶，皇家空軍，很快用它去測試金屬疲勞的彗星客機在飛行時哪一塊金屬會出現裂痕。

“這樣將會導致龐大的運算和收集大量的數據。”

另一個Pilot ACE的早期忠實的用戶英國陸軍測量局，用Pilot ACE去分析圖表和繪製地圖。

“你用一架飛機，飛過全國的上空，拍了一堆照片，”Vickers先生解釋道。

“然後你可以分析這些圖片然後用它們製作地圖。

“這是相當長的一個過程。分析一張圖片要消耗他們大約一天的時間。”他補充道，“一個好日子的飛行將會讓你忙上好幾個月”。

但是通過使用PilotACE，這個費時的任務將會大大縮小。

“我們使計算下降到一分鐘。從他們的觀點看來這是相當不錯的。”

Pilot ACE不僅有用，而且具有相當高的利潤。

在開始兩到三年大規模生產的時間中，根據Vickers先生的回憶，每一個機器的利潤可以高達每小時30英鎊。

在一個時期內，備受尊敬的科學家預測，整個英國只用三台機器就可以解決它的計算機需求了，Pilot ACE展現了強大運算能力和真實的利潤。

詹姆斯·威爾金森

大家知道，計算機的套用有兩大領域：數值套用領域和非數值套用領域。所謂數值套用，是指解各種方程和函式，求得它們的數值解，處理對象是數值數據；所謂非數值套用，主要指大家熟悉的數據管理和數據處理，其他如過程控制、定理證明、推理等也屬這一類，處理對象是非數值數據。早期的計算機由於尚未解決字母、字元的表示和沒有大容量的存儲器，只能用於科學與工程計算。非數值套用是在20世紀50年代中期發明了字元發生器(Character Generator)和磁碟存儲器以後才逐漸發展起來的。在數值套用方面，計算機實際上只能做最簡單的加、減、乘、除等四則運算，並不能直接解比如微分方程或求各種複雜的函式；遇到它們，要先由數學家利用各種數學變換方法把它們轉變為一系列算術運算，這叫“數值分析”或“計算方法”。由於20世紀五六十年代計算機以數值套用為主，因此1970年的圖靈獎授予了一位在發展數值分析技術和方法方面作出了傑出貢獻的數學家就不足為奇了，他就是英國皇家學會院土、著名的數值分析專家詹姆斯·威爾金森(James Hardy Wilkinson，1919—1986)。但令人驚奇的是，這位數學家在建造由圖靈設計的ACE計算機中竟然扮演了舉足輕重甚至最關鍵的角色。

威爾金森1919年9月27日生於英國肯特郡的斯特洛特(Strood，Kent)。他的初等教育階段是在位於倫敦東郊的羅切斯特的一所由著名的數學家約瑟夫·威廉姆松爵士(Joseph Williamson)創辦的數學學校中度過的。然後在劍橋最負盛名的“三聖學院”(Trinity College）接受了嚴格的教育，成績出眾，16歲時獲得三聖學院的最高榮譽——Trinity Major Scholarship，並因而免試進入劍橋大學。1939年威爾金森獲得一等榮譽獎章從劍橋畢業時年方19。由於第二次世界大戰，他畢業後進人劍橋數學實驗室的軍械研究所(Armament Re-search Department)工作，研究與解決有關彈道方面的問題，開始對計算數學發生興趣。也是在那裡，他遇到了他未來的終身伴侶、也在劍橋獲得過一等榮譽獎章的女數學家維婀(H．N．Ware)，他們於1945年結婚。

戰後，他進入英國最著名的學術機構之一國家物理實驗室NPL的數學部，一半時間在台式計算機處工作，一半時間協助圖靈設計計算機ACE。關於ACE計算機的研製情況，我們在前面介紹圖靈時已經簡單提到過了，這裡不再贅述。需要指出的是，在圖靈離開NPL由威爾金森接手負責該項目後，威爾金森總結了前階段設計與實施ACE的經驗教訓，果斷地採取了兩項措施，一是與工程小組加強聯繫、交流、溝通、合作，改變過去那種隔絕甚至對峙的局面，二是決定放棄原先過於龐大的計畫和過於龐大的規模，改搞試驗性的ACE，也就是Pilot ACE。當圖靈離開NPL時，他設計的ACE已是“第八版”，單是水銀延遲線存儲器就要用200根延遲線。威爾金森實事求是地估計了延遲線加工上的困難和它工作的不可靠性，決定將Pilot ACE，退回到ACE"第五版”的基礎上，把延遲線減少到32根，把整個機器的設計目標降到能用高斯消去法解8～10個聯立線性方程。幸運的是，這時，原先負責工程的托馬斯也離開了NPL，接替他的是老資格的無線電工程師考爾勃洛克(F．M．Colebrook)，他雖然對脈衝技術並不熟悉，卻擅長項目組織，主動邀請威爾金森在內的4個高級設計師以半固定的方式參加電子學小組的工作，從而進一步密切了雙方的關係。同時，新調來的電子學小組的技術負責人紐曼(E．Newman)是大戰時參加過H2S機載雷達系統工作的專家，同威爾金森相處得也很好。這樣，工程進展明顯加快，1950年5月10日，Pilot ACE第一次正式試運行成功，1950年11月，NPL舉行了隆重的“開放日”(OpenDay)，邀請新聞界和一批知名的VIP(Very ImportantPerson)參觀ACE，ACE成功地表演了三個程式：由參觀者任意給出一個6位數，機器判定它是否是素數，如果不是素數，給出其一個因子；由參觀者任意說出0—9999年中的任意一個日期，由機器給出這天是星期幾；由機器跟蹤光線通過一組稜鏡後的偏振光。ACE計算機研製成功以後，由EEC公司(English Electric Company)批量生產了約30台，其商業名稱為DEUCE。DEUCE和劍橋大學研製的EDSAC計算機一起，使20世紀50年代的英國計算機技術處於世界領先水平，能和美國乎起平坐。第一台Pilot ACE現在在倫敦的肯辛頓科學博物館保存、展覽。1984年7月13日，在滑鐵盧大學舉行的一次國際學術會議期間，威爾金森接受丁BYTE雜誌安排的一次採訪，詳細回憶了ACE計算機誕生的過程。有興趣的讀者可參閱該刊1985年2月，177—194頁，“一台計算機的誕生”(The Birth of aComputer)。

當然，作為一名數學家，威爾金森的主要貢獻還是在數值分析方面，尤其是在數值線性代數方面。1960年，他提出“向後誤差分析法”(backwarderror analysis)，成為數學誤差理論中最基本的方法之一。向後誤差分析是一種先驗性估計，下面我們對它作一簡要介紹。

假設結果由已知量(原始數據或先前已算出的量)a1，a2，a3，…，an經過基本算術運算確定，寫成

x=f(a1，a2，a3，…，an)

由於計算中產生舍人誤差(rounding error)，實際算出的值a與準確值x不同。向後誤差分析法把舍人誤差與導出a的已知量a1，a2,a3,…，an。的某種攝動(即微小誤差)聯繫起來，即對某個ai引進攝動量εi，使得由浮點運算得到等式：

a=f(a1+ε1,a2+ε2,a3+ε3,…,an+εn)

再推出這些εi的界(εi不是唯一的，且無須求出εi的具體值)，然後再利用攝動理論(perturbation theory)估計最後舍人誤差12—01的界。

向後誤差分析是威爾金森20世紀60年代初在研究矩陣計算的誤差時作了系統分析而提出的，目前是計算機上各種數值計算最常用的誤差分析手段。

20世紀60年代，威爾金森在NPL組織開發了一個用以測試系統浮點運算能力的基準程式(Benchmark)叫Whetstone。Whetstone規模不大，對存儲器容量要求較小，主要使用高速緩衝存儲器，適用於評估小型的科學、工程套用系統。Whetstone除了可以測試機器的硬體性能外，還可以用來評估系統數學程式集，語言編譯器及其處理效率，其測試結果用KWIPS(每秒執行1 000條Whetstone指令)或MWIPS(每秒執行1 000 000條Whetstone指令)表示。1976年Whetstone被作為英國的官方測試標準公布，已有Fortran、Pascal等多種版本，常被用作工作站的測試程式。

1976年，威爾金森積極參與並推動成立了一個非贏利性的名為NAG的公司(NumericalAlgorithms Group Ltd．)以開發和推廣數值分析和統計分析的軟體包，吸引了世界上許多大學和政府研究機構的專家共同合作。NAG已經為68種型號的計算機配備了Fortran庫，Ada、Pascal、C的通用數學庫也已上市。NAG推出的Mark 15版數學庫中已包括用戶可調用的程式模組1 045個，是同類數學庫中規模最大也最先進的一個，威爾金森在其中發揮了重要的作用。此外，在由美國阿爾貢(Argonne)實驗室NATS(National Activity to Test Software)，小組於1972年開發的EISPACK軟體包計畫中，威爾金森也曾積極參與並貢獻過力量，目前它是計算矩陣特徵值最常用的數學庫。

威爾金森出版的幾部數學專著，如《代數處理中的舍人誤差》(RoundingErrors in Algebraic Processes，Prentice·Hall，1964)，《代數特徵值問題》(The Algebraic EigenvalueProblem，Clarendon pr.，1965．中譯本由石鐘慈等譯，科學出版社出版)，《自動計算手冊卷2：線性代數》(Handbook for AutomaticComputation，V01．2，Linear Algebra，Springer，1971，與C．Reinsch合著)，都在學術界有很大影響，被視為經典和必備參考書。

威爾金森從1946年進入NPL到1980年正式退休，為NPL服務長達34年，其間曾長期擔任NPL的學術長官，並被命名為“有特殊貢獻的首席科學長官”(Special Merit Chief Scientific Officer)，這在英國的行政機構中是一個極高而極少被授予的榮譽稱號。這除了由於其個人在學術上的造詣和貢獻外，還由於他在NPL營造了一個濃厚而民主的學術空氣，能使有才華的年青人脫穎而出，敢於創新。在很長時間裡，NPL都是歐洲乃至全世界最有創新精神的研究所之一，也是水平最高的研究機構之一。例如，20世紀60年代在開展計算機聯網技術的研究中，NPL的數據網路計畫(Data Network Project)中就率先採用了“包交換技術”(packet-switching)，成為當今包括Internet在內的所有各種類型計算機網路信息傳輸的技術基礎。把“報文分組”通俗而形象地叫做“包”就是NPL當時的自動化部的年青主任戴維斯(D，W．Davies)的創造。

威爾金森除了獲得圖靈獎以外，還有許多榮譽與獎勵。1963年劍橋大學授予他名譽博士學位；1969年他當選為英國皇家學會院士；1970年工業和套用數學會(S1AM)授予他馮·諾伊曼獎；1987年他獲得美國數學會的Chauvenet獎。著名的美國阿爾貢國家實驗室曾聘威爾金森為榮譽高級研究員並兩次向他授獎。

威爾金森在接受圖靈獎時發表了題為“一個數值分析家的若干意見”(SomeComments froma Numerical Analyst)的演說，刊載於Journal of ACM，1997年4月，137—147頁，也可見《前20年的ACM的圖靈獎的演說集》（ACM Award Lectures—The First 20 Years:1996-1985，ACM Pr.），243—256頁。

威爾金森1980年退休後擔任史丹福大學客座教授，1986年10月5日在英國坦丁頓的家中不幸病逝，享年67歲。