計算機從齒輪時代邁入新的數位時代，有兩個重大變革，一是硬體零件，一是運算方式。硬體改用電子元件取代機械齒輪，運算方式則從類比轉為數位化。不過光數位化還不夠，還必須從十進位改為二進位，才可以在貯存、運算或傳輸各方面都達到最佳效果。這過程並非一蹴而成，而是多位先驅——或提出理論架構，或動手發明——闢出不同的進路，最後才匯聚成現代電腦的樣貌。
本文為系列文章，上一篇請見：將類比計算機推向顛峰，也為未來科技舖好沃土的凡納爾．布希│《電腦簡史》（二十四）
人口普查統計搞了八年！怎麼辦？
計算機什麼時候開始用電的？上一篇提到凡納爾．布希與學生於 1926 年發明的「連續積分儀」首度利用電錶與可變電阻，但其實這並不是第一台插電的計算機。事實上，早在特斯拉於 1896 年為西屋公司電建立交流電網之前，就已經出現使用電力的計算機了。
1880 年，美國展開十年一度的人口普查。調查員挨家挨戶詢問各項基本資料，在表格上填寫完成後，統一送回華府的「美國普查局」(United States Census Bureau) 進行各項統計與交叉分析。當時美國人口已超過五千萬人，如此龐大的資料全賴人工作業，最後花了八年的時間才處理完畢。
當時美國普查局有個新進的菜鳥叫何樂禮 (Herman Hollerith)，前一年才從大學畢業，在這次普查負責工業數據的統計。他看見局裡堆積如山的普查資料，已經可以預見處理起來勢必曠日廢時，於是與部門主管畢林斯 (John Shaw Billings) 討論是否有更好的作法。畢林斯告訴他有一種雅卡爾織布機，利用打孔卡片自動編織圖案，或許可以用這樣的原理打造一部機器，幫忙統計資料。何樂禮聽了記在心裡，開始私下進行研究。
何樂禮 (Herman Hollerith) 攝於1888年。圖／WIKI
如果結合打孔紙帶與繼電器……
一年後，普查計畫的主持人轉任 MIT 校長，回頭挖角何樂禮到 MIT 機械系任教，於是他只在普查局待了兩年，就於 1882 年前往波士頓。何樂禮在 MIT 執教之餘，仍抽空繼續研究自動統計的機器，不過教學工作遠比他想像的繁重，於是過了一年他就辭去教職，到華府的專利局工作。如此一來他有更多時間來設計機器，也可以順便學習如何為自己的發明布局專利。
1884 年，何樂禮提出第一項專利申請。在這個原始設計中，何樂禮用的是打孔的紙帶，紙帶上每一排有 26 格，藉由在不同位置打洞，來代表一個人的年紀、性別與人種。其中年紀就佔了 20 格，十位數與個位數各有 10 格代表 0 到 9，在其中兩格打洞表示歲數，因此只能記錄 00 到 99，百歲人瑞就沒辦法了。
紙帶通過滾輪時也會經過一排電刷，有打洞的那幾格，電刷會接觸到紙帶下方的金屬而構成電流迴路，對應的繼電器隨之啟動（裡面的電磁鐵通電後，產生磁力吸引金屬條移動），帶動計數器。整卷紙帶全部跑完，各項數字也就自動累加完畢。這就是史上首度使用電流的計算機——不過它只停留在設計圖的階段，並沒有真的製造出來。
打孔卡片取代紙帶，租賃合約取代買斷
因為何樂禮很清楚這樣一部機器仍無法應付人口普查。紙帶能再增加的寬度有限，所承載的資訊量遠遠不及普查的項目。此外也無法再進一步分類統計，例如不同性別或不同人種的年齡分布。因此何樂禮將專利申請送出去後，立即著手改善，最後他從當時的火車票得到靈感，用打孔卡片取代紙帶，一張卡片記錄一個人，便能放進更多個人資料。
何樂禮設計的打孔卡片。圖／WIKI
同時他改用矩陣式的探針穿過卡片上的洞，與孔洞下方的水銀凹槽接觸，就可以從特定組合的電路得出對應項目的分類統計；若要做不同項目的統計分析，只要更換不同的探針頭就可以了。此外，何樂禮還裝設了卡片歸類匣，共有 22 格。卡片經過探針頭後，電子訊號同時打開它應歸類的格子，操作人員就知道這張卡片應該放置何處，不需要再靠人工判讀比對。
1886 年，何樂禮完成了改良後的原型機，取名為「何樂禮電力製表系統」(Hollerith Electric Tabulating System)。經由畢林斯的協助，這部機器獲得巴爾的摩公共衛生署 (Baltimore Department of Health) 用來做死亡統計，取得不錯的成效，於是隨後紐澤西州以及紐約市的公共衛生署也陸續採購使用。從巴斯卡以降，多少計算機先驅充滿期待卻無法達成的事——計算機的商業化，終於在何樂禮手中達成。
這當然要歸功於何樂禮結合打孔卡片與電流控制，讓計算機展現巨大的效能。但除了技術因素之外，還有一個成功關鍵在於新的商業模式。何樂禮並不是直接將機器賣給客戶，而是透過西屋電氣這樣的大公司提供租賃服務，讓客戶每月支付租金即可。如此一來客戶就不會因為購置金額龐大而裹足不前，何樂禮也能取得資金專心研發，瞄準最大的目標—— 1890 年的人口普查。
人口普查大放異彩，商用市場勢如破竹
其實何樂禮根本沒有對手，另外兩家參與標案的廠商仍是用人工作業，測試成績遠遠落後，因此美國普查局毫不猶豫地選用何樂禮電力製表系統。結果這次只花了六年就處理完畢，雖然只比上次縮短兩年，看起來不多，但其實美國人口已成長到將近六千三百萬人，比十年前增加了四分之一。
此外這次調查的項目也變多了，資料量大幅增加下，卻用更少的人力在更短的時間內完成（其實大部分的人力與時間都花在前置作業，他們得先將回收的調查表製成打孔卡片），已足以證明何樂禮這部機器確實有極大的效益。
用於1890年人口普查的自動製表機。圖／WIKI
何樂禮十年磨一劍，威震江湖。問題是人口普查十年才一次，在取得下次標案前，難道要喝西北風？何樂禮趕緊尋找新的客戶，他發現鐵道公司是最佳對象，因為如我們之前在巴貝奇的章節提到，隨著鐵路不斷增建，客運量與貨運量快速成長，鐵道公司每天都需要大量人力進行結算。如果獲得鐵道公司採用，就可以帶來穩定的收入。
不過原來針對人口普查設計的機器只能算是加法器，而鐵道公司進行結算時，加減乘除都會用到。因此何樂禮將萊布尼茲的步進滾筒整合進來，原本滾筒表面九根突起長條是以機械方式帶動齒輪，改成接觸導電而啟動繼電器，便能同樣用電流完成四則運算。何樂禮順便裝設了自動輸送卡片的機制，就不需靠人工一張一張的放進卡片。此外，他還從電話交換總機獲得靈感。當時仍是靠人工將電話線路在「插接板」(Plugboard) 上插拔來接通電話，何樂禮也在探針頭上加裝插接板，如此不用更換探針頭就能切換不同的交叉統計。
何樂禮終於在1896 年九月，獲得紐約鐵道公司同意採用這部全新的「整合製表機」(Integrating Tabulator)。有了這家全美第二大鐵道公司的合約，何樂禮在三個月後就放膽創業，成立「製表機器公司」(Tabulating Machine Company)。他不但再次贏得 1900 年人口普查標案，而且到了 1908 年，他的公司已經有三十家大型客戶，除了鐵道公司，還有壽險公司、公家機構，以及製造業。
公司合併誕生 IBM，影響電腦發展一世紀
不過事必躬親的何樂禮也因為業務擴張而健康亮起紅燈，於是在一位金融家的規劃下，於 1911 年讓公司與另外三家分別製造時鐘、打卡鐘，與精密磅秤的公司合併為「計算—製表—記錄公司」(Computing-Tabulating-Recording Company，簡稱C-T-R)。何樂禮本身轉任技術顧問，繼續為新公司效力十年才功成身退。
1924 年，C-T-R公司更名為定位更明確、更具雄心的名稱：「國際商業機器公司」，也就是我們現在熟知的 IBM (International Business Machines Corporation)。
IBM的前身——“Computing-Tabulating-Recording Company” 。圖／WIKI
雖然公司名稱用的是「商業機器」，但如我們所見，百年來IBM 一直都是以計算機為事業核心。這當然都源自於何樂禮的發明與開拓出來的商用市場，在他奠定的基礎上，IBM繼續成長茁壯，不斷在電腦的發展上扮演舉足輕重的角色。
除了孕育出 IBM，何樂禮對於電腦的技術創新也做出直接的貢獻。是他率先引進電力，開啟計算機從機械式轉向電子式之路；是他率先將打孔卡片實際用於計算機（雖然是巴貝奇最早提出，但畢竟他的分析機從未建造出來），引領後世繼續使用打孔卡片將近一世紀；也是他率先將插接板用於變更運算，而為後來的可程式化計算機仿效。
雖然何樂禮的自動製表機與現代電腦還有一大段距離，但是計算機能跳脫窠臼，往現代電腦邁進，何樂禮絕對居功厥偉。
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