人列計算機(jī)可行嗎？

計算機(jī)的誕生和發(fā)展，得益于馮·諾依曼1942年提出的“存儲程序控制”體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。直到今天，我們能夠見到的計算機(jī)，都是基于馮·諾依曼的設(shè)計體系。

所謂的“存儲程序控制”，就是指編寫好的程序（指令）和數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，當(dāng)計算機(jī)運行時，控制器按地址順序取出存放在存儲器中的指令，執(zhí)行指令的功能，遇到轉(zhuǎn)移指令則轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移地址，再按地址順序訪問指令。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念還將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起。實際上，馮·諾依曼計算機(jī)模型的設(shè)計思想還有一個重要特點，那就是程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式來表示和存放。采用二進(jìn)制邏輯、程序存儲執(zhí)行以及計算機(jī)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成，成為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（亦稱普林斯頓結(jié)構(gòu)）的三個基本原則。

采用二進(jìn)制對計算機(jī)至關(guān)重要，它簡化了計算規(guī)則，能將算術(shù)運算轉(zhuǎn)化為邏輯運算，降低了出錯幾率，缺點是計算量大，而這正好適合計算機(jī)特有的快速和重復(fù)運算的特點。1679年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨受到《周易》的啟發(fā)，提出了二進(jìn)制的概念，成為今后邏輯運算的基礎(chǔ)。1701年，萊布尼茨發(fā)表了關(guān)于二進(jìn)制的重要論文《試論新數(shù)的科學(xué)》，為計算機(jī)理論及控制論的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。因為電子元件的各種狀態(tài)往往只有兩種，與二進(jìn)制的基數(shù)非常吻合，采用電子器件進(jìn)行邏輯運算就順理成章了。

如果沒有電子元件，沒有電子技術(shù)，基于二進(jìn)制的計算機(jī)還可能實現(xiàn)嗎？在今年熱播的科幻電視劇《三體》中，作者劉慈欣就提出了非常有新意的“人列計算機(jī)”，用人組成各種邏輯門，代替電路來進(jìn)行運算，并試圖用人列計算機(jī)進(jìn)行微積分運算，解決三體世界中恒紀(jì)元的計算問題。

《三體》中的馮·諾依曼，用三個人作基礎(chǔ)演示，兩人作輸入，一人作輸出，用白旗和黑旗分別表示0和1。如果輸入的兩人都舉黑旗，那么輸出的人也舉黑旗，否則就舉白旗——這就實現(xiàn)了“邏輯與”運算，也就是“與門”。同樣，用三個人也能實現(xiàn)“或門”：輸入的兩人中只要有一個人舉黑旗，那么輸出的人就舉黑旗，否則就舉白旗。更復(fù)雜的與非門、異或門等也能用人來實現(xiàn)，這樣就能組成各種基礎(chǔ)的邏輯門了。

由于二進(jìn)制的運算量非常大，需要大量的“門電路”參與運算，3千萬士兵組成1千萬個門電路，拼裝了36平方公里大小的“主板”：“人列”門部件構(gòu)成CPU；輕騎兵在門部件間的道路上飛馳，形成總線；有文化的士兵記錄下運算結(jié)果和中間狀態(tài)，是為存儲器；黑白兩色的旗幟排列組合展示計算結(jié)果，相當(dāng)于顯示器……

科幻畢竟只是科幻，如果在真實世界中實現(xiàn)“人列計算機(jī)”，恐怕還要加上“電源”——活人每工作幾個小時就需要進(jìn)食以維持生命，用于飲食供給的能源通道必須具備。如果衡量一下這個龐大CPU的計算能力，每秒能實現(xiàn)多少次加法運算？在士兵的生命周期內(nèi)，恐怕都無法完成微積分的解析運算。然而更致命的還是它的可靠性，雖然基礎(chǔ)的邏輯運算非常簡單，但是在單調(diào)的重復(fù)運算中，人的出錯概率非常大，而且還有運行不同步等問題，任何微小的錯誤都會造成計算結(jié)果毫無意義。人還是更適合高階進(jìn)制的數(shù)學(xué)運算。

在《三體》中，人列計算機(jī)也因為計算不正確導(dǎo)致判斷錯誤，三日連珠來臨，184號文明覆滅，只留下了馮·諾依曼醒悟過來的最后忠告：用電子元件！