人口普查、打孔卡片、IBM——之一台插电的计算机│《电脑简史》数位时代（一）

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计算机从齿轮时代迈入新的数位时代，有两个重大变革，一是硬体零件，一是运算方式。硬体改用电子元件取代机械齿轮，运算方式则从类比转为数位化。不过光数位化还不够，还必须从十进位改为二进位，才可以在贮存、运算或传输各方面都达到更佳效果。这过程并非一蹴而成，而是多位先驱——或提出理论架构，或动手发明——辟出不同的进路，最后才汇聚成现代电脑的样貌。

本文为系列文章，上一篇请见：将类比计算机推向颠峰，也为未来科技舖好沃土的凡纳尔．布希│《电脑简史》（二十四）

人口普查统计搞了八年！怎么办？

计算机什么时候开始用电的？上一篇提到凡纳尔．布希与学生于 1926 年发明的「连续积分仪」首度利用电表与可变电阻，但其实这并不是之一台插电的计算机。事实上，早在特斯拉于 1896 年为西屋公司电建立交流电网之前，就已经出现使用电力的计算机了。

1880 年，美国展开十年一度的人口普查。调查员挨家挨户询问各项基本资料，在表格上填写完成后，统一送回华府的「美国普查局」(United States Census Bureau) 进行各项统计与交叉分析。当时美国人口已超过五千万人，如此庞大的资料全赖人工作业，最后花了八年的时间才处理完毕。

当时美国普查局有个新进的菜鸟叫何乐礼 (Herman Hollerith)，前一年才从大学毕业，在这次普查负责工业数据的统计。他看见局里堆积如山的普查资料，已经可以预见处理起来势必旷日废时，于是与部门主管毕林斯 (John Shaw Billings) 讨论是否有更好的作法。毕林斯告诉他有一种雅卡尔织布机，利用打孔卡片自动编织图案，或许可以用这样的原理打造一部机器，帮忙统计资料。何乐礼听了记在心里，开始私下进行研究。

何乐礼 (Herman Hollerith) 摄于1888年。WIKI

如果结合打孔纸带与继电器……

一年后，普查计画的主持人转任 MIT 校长，回头挖角何乐礼到 MIT 机械系任教，于是他只在普查局待了两年，就于 1882 年前往波士顿。何乐礼在 MIT 执教之余，仍抽空继续研究自动统计的机器，不过教学工作远比他想像的繁重，于是过了一年他就辞去教职，到华府的专利局工作。如此一来他有更多时间来设计机器，也可以顺便学习如何为自己的发明布局专利。

1884 年，何乐礼提出之一项专利申请。在这个原始设计中，何乐礼用的是打孔的纸带，纸带上每一排有 26 格，借由在不同位置打洞，来代表一个人的年纪、性别与人种。其中年纪就占了 20 格，十位数与个位数各有 10 格代表 0 到 9，在其中两格打洞表示岁数，因此只能记录 00 到 99，百岁人瑞就没办法了。

纸带通过滚轮时也会经过一排电刷，有打洞的那几格，电刷会接触到纸带下方的金属而构成电流回路，对应的继电器随之启动（里面的电磁铁通电后，产生磁力吸引金属条移动），带动计数器。整卷纸带全部跑完，各项数字也就自动累加完毕。这就是史上首度使用电流的计算机——不过它只停留在设计图的阶段，并没有真的制造出来。

打孔卡片取代纸带，租赁合约取代买断

因为何乐礼很清楚这样一部机器仍无法应付人口普查。纸带能再增加的宽度有限，所承载的资讯量远远不及普查的项目。此外也无法再进一步分类统计，例如不同性别或不同人种的年龄分布。因此何乐礼将专利申请送出去后，立即着手改善，最后他从当时的火车票得到灵感，用打孔卡片取代纸带，一张卡片记录一个人，便能放进更多个人资料。

何乐礼设计的打孔卡片。WIKI

同时他改用矩阵式的探针穿过卡片上的洞，与孔洞下方的水银凹槽接触，就可以从特定组合的电路得出对应项目的分类统计；若要做不同项目的统计分析，只要更换不同的探针头就可以了。此外，何乐礼还装设了卡片归类匣，共有 22 格。卡片经过探针头后，电子讯号同时打开它应归类的格子，操作人员就知道这张卡片应该放置何处，不需要再靠人工判读比对。

1886 年，何乐礼完成了改良后的原型机，取名为「何乐礼电力制表系统」(Hollerith Electric Tabulating System)。经由毕林斯的协助，这部机器获得巴尔的摩公共卫生署 (Baltimore Department of Health) 用来做死亡统计，取得不错的成效，于是随后纽泽西州以及纽约市的公共卫生署也陆续采购使用。从巴斯卡以降，多少计算机先驱充满期待却无法达成的事——计算机的商业化，终于在何乐礼手中达成。

这当然要归功于何乐礼结合打孔卡片与电流控制，让计算机展现巨大的效能。但除了技术因素之外，还有一个成功关键在于新的商业模式。何乐礼并不是直接将机器卖给客户，而是透过西屋电气这样的大公司提供租赁服务，让客户每月支付租金即可。如此一来客户就不会因为购置金额庞大而裹足不前，何乐礼也能取得资金专心研发，瞄准更大的目标—— 1890 年的人口普查。

人口普查大放异彩，商用市场势如破竹

其实何乐礼根本没有对手，另外两家参与标案的厂商仍是用人工作业，测试成绩远远落后，因此美国普查局毫不犹豫地选用何乐礼电力制表系统。结果这次只花了六年就处理完毕，虽然只比上次缩短两年，看起来不多，但其实美国人口已成长到将近六千三百万人，比十年前增加了四分之一。

此外这次调查的项目也变多了，资料量大幅增加下，却用更少的人力在更短的时间内完成（其实大部分的人力与时间都花在前置作业，他们得先将回收的调查表制成打孔卡片），已足以证明何乐礼这部机器确实有极大的效益。

用于1890年人口普查的自动制表机。WIKI

何乐礼十年磨一剑，威震江湖。问题是人口普查十年才一次，在取得下次标案前，难道要喝西北风？何乐礼赶紧寻找新的客户，他发现铁道公司是更佳对象，因为如我们之前在巴贝奇的章节提到，随着铁路不断增建，客运量与货运量快速成长，铁道公司每天都需要大量人力进行结算。如果获得铁道公司采用，就可以带来稳定的收入。

不过原来针对人口普查设计的机器只能算是加法器，而铁道公司进行结算时，加减乘除都会用到。因此何乐礼将莱布尼兹的步进滚筒整合进来，原本滚筒表面九根突起长条是以机械方式带动齿轮，改成接触导电而启动继电器，便能同样用电流完成四则运算。何乐礼顺便装设了自动输送卡片的机制，就不需靠人工一张一张的放进卡片。此外，他还从 ... 交换总机获得灵感。当时仍是靠人工将 ... 线路在「插接板」(Plugboard) 上插拔来接通 ... ，何乐礼也在探针头上加装插接板，如此不用更换探针头就能切换不同的交叉统计。

何乐礼终于在1896 年九月，获得纽约铁道公司同意采用这部全新的「整合制表机」(Integrating Tabulator)。有了这家全美第二大铁道公司的合约，何乐礼在三个月后就放胆创业，成立「制表机器公司」(Tabulating Machine Company)。他不但再次赢得 1900 年人口普查标案，而且到了 1908 年，他的公司已经有三十家大型客户，除了铁道公司，还有寿险公司、公家机构，以及制造业。

公司合并诞生 IBM，影响电脑发展一世纪

不过事必躬亲的何乐礼也因为业务扩张而健康亮起红灯，于是在一位金融家的规划下，于 1911 年让公司与另外三家分别制造时钟、打卡钟，与精密磅秤的公司合并为「计算—制表—记录公司」(Computing-Tabulating-Recording Company，简称C-T-R)。何乐礼本身转任技术顾问，继续为新公司效力十年才功成身退。

1924 年，C-T-R公司更名为定位更明确、更具雄心的名称：「国际商业机器公司」，也就是我们现在熟知的 IBM (International Business Machines Corporation)。

IBM的前身——“Computing-Tabulating-Recording Company” 。WIKI

虽然公司名称用的是「商业机器」，但如我们所见，百年来IBM 一直都是以计算机为事业核心。这当然都源自于何乐礼的发明与开拓出来的商用市场，在他奠定的基础上，IBM继续成长茁壮，不断在电脑的发展上扮演举足轻重的角色。

除了孕育出 IBM，何乐礼对于电脑的技术创新也做出直接的贡献。是他率先引进电力，开启计算机从机械式转向电子式之路；是他率先将打孔卡片实际用于计算机（虽然是巴贝奇最早提出，但毕竟他的分析机从未建造出来），引领后世继续使用打孔卡片将近一世纪；也是他率先将插接板用于变更运算，而为后来的可程式化计算机仿效。

虽然何乐礼的自动制表机与现代电脑还有一大段距离，但是计算机能跳脱窠臼，往现代电脑迈进，何乐礼绝对居功厥伟。