序

致謝

前言

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第一部∥硬體

第一章∣電腦是什麼？

第二章∣位元，位元組，以及資訊的表述法

第三章∣探索處理器

第一部∣總結

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第二部∥軟體

第四章∣演算法

第五章∣編程及程式語言

第六章∣軟體系統

第七章∣學習如何編程

第二部∣總結

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第三部∥通訊

第八章∣網路

第九章∣網際網路

第十章∣全球資訊網

第三部∣總結

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第四部∥資料

第十一章∣資料與資訊

第十二章∣人工智慧與機器學習

第十三章∣隱私與資安

第十四章∣接下來呢？

第四部∣總結

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註釋

詞彙表



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作者序



　　自1999年起，幾乎每一個秋季，我都在普林斯頓大學開一門課：「我們的世界裡的電腦（Computers in Our World）」，這課程名稱含糊得令我覺得不好意思，但是，這是我在當年的某天，我必須在不到五分鐘內想出來的一個名稱，一旦決定了，改名就變得很難了改變。不過，教這門課是成為我在非常享受的大學教書工作中最有趣的一件事。



　　開這門課是基於我的一個觀察。我們的世界裡，電腦及電腦運算無所不在，一些電腦運算非常明顯可見──現在，每個學生都有一台遠比IBM 7094主機型電腦還要強大的筆記型電腦，我於1964年就讀我還是普林斯頓大學研究生所時，一台服務整個校園的IBM 7094主機型電腦得花數百萬美元購買，體積佔據一個大空調房間。現在，每個學生都有一支手機，其電腦運算力遠超過也遠比那古董的IBM 7094還要強大。現在，每個學生都能高速連結網際網路，全球人口中有一大部分也能高速連網，人人都在線上搜尋與購物，使用電子郵件、簡訊、及社交網路來和親友保持聯絡。



　　但這只是電腦運算這座大冰山浮現出來的一部分一角分，冰山的絕大部分還隱藏於表面之下。我們看不到、通常也不會想到隱藏於家電、車子、飛機、以及無數我們視為理所當然的電子器材──智慧型電視機、恆溫器、門鈴、語音辨識系統、健身追蹤器、耳機、玩具、遊戲等等──內部的電腦。我們也不太會去思考種種基礎設施對電腦運算的倚賴程度，包括電視網、有線電視、空中交通控管管制、電力網、銀行與金融服務等等。



　　多數人將不會直接涉及這類系統的建造工作，但人人都受到它們的顯著影響，有些人將必須作出與它們有關的重要決策。一個受過教育的人起碼得知道電腦運算的基本原理：電腦能做什麼，以及如何做；電腦完全無法做不到什麼，以及哪些部分只是因為目前還太難以做到；電腦與電腦之間如何溝通交談，以及它們彼此溝通交談時會發生什麼；電腦運算與通訊影響我們周遭世界的許多方式。



　　電腦運算的無所不在與無孔不入，以我們意想不到的方式影響我們。雖然，我們不時被提醒，監視系統愈來愈多，我們的隱私被侵犯以及我們的身份被盜用的危險與日俱增愈來愈嚴重，但我們可能還不並未確實了解電腦運算及通訊導致的這類脆弱性的程度。



　　美國國安局外包技術員愛德華．史諾登（Edward Snowden）在2013年6月向一些新聞記者提供5萬份文件，揭露美國國安局經常性地監聽與收集近乎世上所有人的電子通訊（電話、簡訊、與網際網路使用），但主要對象是生活在美國、對自己國家的安全不構成威脅的美國公民。史諾登揭露的文件顯示，其他國家也監聽及窺探它們的人民。或許，最令人驚訝的是，過了起初的義憤填膺之後，一切又回歸平常，政府監聽與窺探的情形愈來愈多，但人民順從或不以為意地接受。



　　企業也在線上及實體世界追蹤和監視我們，許多公司的事業模式基礎是收集龐大資料，使用這些資料來預測與影響我們的行為。龐大的資料供輸已經促成了語音理解、電腦視覺、及語言翻譯等領域的大進展，但這是以犧牲我們的隱私為代價，使人人們變得更加難以匿名。



　　各種類型的駭客已經變得很老練於攻擊資料庫，現在幾乎天天都上演企業及政府機構遭到電子入侵的戲碼；大量的顧客及員工資訊遭竊，這些被盜的資訊往往被用於欺詐及身份盜用。個人受到攻擊的情形也相當普遍，在以往，你只要不理會謊稱為奈及利亞皇族發出的電子郵件，就能免於網路線上詐騙；但現在，針對性攻擊遠遠更狡猾，已經成為企業電腦系統遭到入侵的最常見手法之一。



　　臉書（Facebook）、映思（Instagram）、推特（Twitter）、銳遞（Reddit）等等之類的社交媒體網站已經改變了人們的互動方式，有時候，這是正面的改變──與親友保持聯繫，觀看新聞，種種娛樂等等。這些有時產生正面影響，例如，2020年中，警察殘暴執法的影片被人們病毒式傳播，使「黑人的命也是命」（Black Lives Matter）運動引起大家的關注。



　　但是，社交媒體也造成了相當多的負面作用。種族主義份子、仇恨團體、陰謀理論者、以及其他瘋狂人士，不論他們的理念或政治立場為何，他們總是能夠輕易地在網際網路上找到彼此，協調合作，擴大他們的影響作用。在呼籲或尋求節制線上內容時，言論自由的主張和技術性挑戰等棘手問題導致難以減少敵意與荒謬言論的散播居高不下。



　　在透過網際網路而完全緊密相連連結的世界，司法管轄權也是難題。歐盟自2018年開始實行一般資料保護規範（General Data Protection Regulation，簡稱GDPR），讓歐盟國家居民控管他們的個人資料的收集與使用，防止公司在歐盟以外地區傳送或儲存這類資料。但是，GDPR是否有效改善了個人隱私，尚不明確，當然，這些規範只適用歐盟國家，世界其他地區的情況有所不同。



　　雲端運算的被快速採用，增添了另一層使情況更為複雜性。雲端運算係指個人及公司把他們的資料儲存於亞馬遜、谷歌、及微軟之類公司擁有的伺服器裡，並由那些伺服器執行運算，也就是說，資料不再由其所有權人直接保管，而是由第三方保管，這些第三方的議程、責任、及脆弱性不同於資料所有權人，可能面臨利害衝突的管轄權要求。



　　種種器材與網際網路連結的「物聯網」（Internet of Things，簡稱IoT）正在快速成長中，手機當然是個明顯的例子，還有車輛、保全攝影機、家用電器與控制系統、醫療器材、以及大量的基礎設施如空中交通控管管制及電力網等等。這種萬物與網際網路連結的趨勢將持續發展，因為與網路連結的益處太動人了令人無法抗拒，但是，這也涉及了重大風險，因為這些器材可不是純粹娛樂我們，一些這類器材控管了生死系統，它們的安全性往往遠比較早而較成熟的系統更為脆弱。



　　能夠有效防禦這一切的方法並不多，密碼術是其中之一，它提供了保護通訊及資料儲存的隱私性與安全性的手段。不幸的是，強大的密碼術（cryptography）持續遭到攻擊，政府並不喜歡讓個人、公司、或恐怖份子有真正的、百分之百的私密通訊，因此經常呼籲在密碼演算法中留有後門（backdoor），讓政府機構可以在必要時破解加密，當然，前提是以在「有適當防護」及「為了國家安全著想」之下為前提。但是，不論意圖多良善，這都是糟糕的概念壞主意。縱使你相信政府將總是守規矩展現高尚行為，私密資訊絕對不會外洩（儘管史諾登揭露的文件證明，我們不該相信這點），你仍然應該考慮使用起碼程度的密碼術，避免敵人、朋友、及壞傢伙使用你的私密資訊。



　　普羅大眾──例如上我的課程的學生，或一般受過教育的人，不論他們的背景為何，受過什麼訓練，都必須關切一些問題與議題。



　　我的課程的學生並不是主修工程、物理、或數學之類科技性質學科的學生，他們可能主修英語、政治、歷史、古典主義、經濟、音樂、藝術等等人文科學及社會科學，上完這課程，他們應該能夠閱讀懂與了解有關於電腦運算的新聞報導文章，從中學到更多，或許還能看出其中可能不正確精確的論述。就更廣泛廣面而言，我希望我的學生及讀者能夠對科技抱持理智的懷疑，知道科技通常是個好東西，但不是萬靈藥靈丹；反過來說，科技有時雖帶來不好的影響，但它不是一個全然的惡魔十惡不赦。



　　物理學家理查．穆勒（Richard Muller）在其優異著作《給未來總統的物理課》（Physics for Future Presidents）中嘗試解釋領導人必須應付的核子威脅、恐怖份子、能源、全球暖化等等重要課題所涉及的科技背景，非不立志於當總統、但有見識的公民也應該對這些主題有起碼程度的了解。穆勒使用的這種教育方法為我想達到的目的提供了一個很好的比喻：「給未來總統的電腦運算課」。



　　一個未來的總統應該對電腦運算有什麼了解呢？一個有見識的公民應該對電腦運算有什麼了解呢？你應該對電腦運算有什麼了解呢？我認為，有四個核心技術領域：硬體，軟體，通訊，及資料。



　　硬體是有形的部分：我們可以看到及觸摸到、放在我們家中及辦公室的電腦，以及我們隨身攜帶的手機裡的電腦。電腦裡頭有什麼，它如何運作，它是如何建造出來的？它如何儲存及處理資訊？什麼是位元（bit）及位元組（byte），我們如何用它們來表現音樂、電影、及其他種種東西？



　　軟體是告訴電腦去做什麼的指令，它是幾乎完全無形的東西。我們能夠用電腦來運算什麼，運算速度有多快？我們如何告訴電腦去做什麼？為何如此難以使它們做對？為何經常難以使用它們？



　　通訊指的是電腦、手機、及其他器材為了我們而彼此交談、並且使我們能夠彼此交談的東西：網際網路，全球資訊網，電子郵件，以及社交媒體。這些是如何運作的？這些通訊帶來的益處很顯然顯而易見，但這其中涉及了什麼風險，尤其是我們的隱私及資安？可以如何降低這些風險？



　　資料是硬體與軟體收集、儲存、及處理、並透過通訊系統發送至世界各地的所有資訊。這其中有些是我們自願（不論是否經過審慎考慮）貢獻的資料──我們上傳的文字、相片、及影片；但大部分是我們在日常生活中不知情之下（更遑論經過我們的同意）被收集與分享的個人資訊。



　　不論你是不是總統，將來選不選總統，你都應該了解電腦運算，因為它影響你個人。不論你的生活與工作與多麼非科技距離多遠性質，你都將必須和科技與科技人員往來互動。對器材與系統的運作有所了解，是一大益處，縱使是簡單的事件──例如，你認知到，這名銷售員、或這名技術協助員、或這位政治人物並未告訴你全部真相，對你也有益處。



　　事實上，無知可能對你造成直接傷害。若你不了解病毒、網路釣魚、及其他類似的威脅，你將更容易受到它們的侵害。若你不知道社交網路如何洩露、甚至散播你視為隱私的資訊，你的隱私被洩露的程度可能比你所知道的更為嚴重。若你不了解企業與商家多麼魯莽輕率地利用它們對你的生活的了解來牟取商業利益，你就不會為了蠅頭小利而的捨棄隱私將不會為你帶來什麼益處。若你不知道何以在一家咖啡店或一個一座機場執行你進個人的網路銀行查詢或交易戶頭是件危險的事，你的金錢或身份有可能被盜。若你不知道資料多麼容易被操縱，你將更可能被假新聞、虛假形象、及陰謀理論欺騙。



　　建議你從頭到尾地循序閱讀本書，但你也可以先跳讀你較感興趣的主題，再回頭閱讀前面部分。例如，你可以先閱讀第八章有關於網路、手機、網際網路、全球資訊網、及隱私問題，這過程中，為幫助了解某些部分的內容，你可能得參閱一些前面章節，但大致上，先閱讀第八章是沒有問題的，你可以讀懂絕大部分內容。你可以略過數量性質的內容，例如第二章中的「二進數」（binary numbers），你也可以忽略幾章裡頭有關程式語言的細節。



　　本書的註釋列出我喜歡的一些書籍，包括源頭連結，以及有幫助的補充。本書最後提供的詞彙表簡單定義及解釋重要的術語及首字母縮略字。



　　任何一本探討電腦運算的書籍，都可能很快地變得過時，本書也不例外。本書第一版出版時，我們還未見識到敵意行動者操縱美國及其他國家的民意及影響選舉的嚴重程度。我在這第二版中增加重要的新故事，其中許多和個人隱私及資安有關，因為在過去幾年間，這問題已經變得愈來愈迫切。第二版也增加新專章探討人工智慧、機器學習、以及「大數據」如何使它們變得如此強大、但有時也非常危險。我也在這新版中嘗試釐清含糊的解釋，並刪除或替換過時的材料。儘管如此，當你閱讀本書時，難免仍會有一些錯誤或過時的細節，但我已經盡力清楚指出具有持久價值的內容。



　　我撰寫此書的目的是使你能夠對一項了不起的科技有一定程度的認識，了解它如何運作、它源自何處、以及它未來的可能走向。或許，閱讀本書的過程中，你也會對這世界產生有益的思考，這是我所期盼的。