從真實機器到「由指令構成」的機器#

真實的機器由會運動的實體零件構成，而且通常以它所做的工作來命名。除草機、開罐器、磨豆機各有多種設計，有的甚至運作在不同的物理原理上，但同名的機器在某個描述層次上做的是同一件事。有些機器很多用途：換上不同的配件，就能把電鑽變成鋸子或砂磨機。

電腦也是這樣，只是它能做的事不是十幾種，而是天文數字般多；而且不必為每項任務換配件，你只要打開一支不同的程式——一長串的零與一——它就會把所有必要的內部開關撥到剛好能完成該任務的設定。

• 每一組不同的設定，就是一台不同的機器——一台不同的虛擬機（virtual machine），一台「由指令構成」的機器，而非由齒輪、軸承、電線、滑輪構成。
• 電腦處理的是資訊，而資訊永遠能翻譯成二進位碼（零與一），這是電腦唯一能、也唯一需要「讀」的碼。
• 硬體上數以百萬計、可處於 0 或 1 兩種狀態的微小位置，是這台機器唯一的「運動零件」。一台電腦在任一瞬間是「哪一台機器」，取決於這幾千、幾百萬個小元件的設定。

當你把一組特定的指令模式（更精確地說，是「傾向」）加諸在一台具有高度可塑性、零件能處於許多不同狀態的真實機器上，你得到的就是一台虛擬機。

虛擬機為何能「以想像代替實作」#

虛擬機做的是資訊工作，因此它能靠「在對這些運動零件的表徵上」執行所有狀態變化，來完成一台以硬體狀態變化為運動零件的電腦所做的工作。

你可以用鉛筆在紙上做長除法；如果你夠強，也可以「在腦中」做——只是把想像中的紙或黑板上的記號表徵出來。兩種方式產出一樣好，因為那是資訊：一個答案。相對地，如果你餓了，「想像做一個火腿三明治」可就無法替代真的做一個。

正因為電腦太擅長「在腦中」做資訊工作（藉由表徵那台真正做工的機器），有時幾乎無法分辨：你正在使用的到底是一台「專用、硬接線」的資訊處理機，還是一台跑在通用晶片上的虛擬機。

如今嵌在電梯、冷氣、汽車、冰箱、電視遙控器裡的廉價小晶片，大多其實是通用電腦，有能力執行你在筆電上跑的各種程式；卻註定一輩子只執行燒錄在 ROM 裡的一支簡單程式（點火控制、除霜循環等），把它們宏大的才能凍結成一兩招。這比特製只做這些簡單任務的專用晶片更便宜。

這個詞的原意#

虛擬機是電腦科學帶給我們最有用的「想像力延展器」之一。丹尼特（Daniel Dennett）自陳是在稍微擴展的意義上使用這個詞，因此值得先知道它原本（有人說是「正確」）的意思。

電腦科學家波佩克（Gerald Popek）與戈德堡（Robert Goldberg）於 1974 年提出此詞，原意是「一台真實機器的高效、隔離的複製品」——一份用……指令做成的複製品。

• 真實機器（稱它為 A）是實際硬體：矽晶片、電線等等。
• 虛擬機是一支跑在另一台不同的真實機器 B 上的程式，它完美模仿 A 硬體：因為必須用 B 自身的基本操作拼出 A 的所有基本操作，跑起來可能稍慢，但能跑一樣的程式。
• 為 A 硬體寫的程式，在跑著「A 之虛擬模仿」的 B 硬體上也能毫無障礙地執行。

為什麼要擴展這個概念#

擴展「虛擬機」概念有幾個理由：

• 作業系統本身就是一種虛擬機。 現在的程式多半不是為特定硬體而寫，而是為特定作業系統而寫（作業系統再跑在各種硬體上）。作業系統只是軟體，它不模仿任何實際硬體，而是憑「規定」造出一台遵守某些規則、接受某些輸入的想像機器。
• Java 虛擬機（JVM） 是今日最普及的虛擬機之一。它和作業系統一樣，不模仿任何實體硬體，只以軟體形式存在。網站設計者用 Java 寫程式時，不必知道使用者用的是 Mac、PC 還是 Linux，因為 Java applet 永遠跑在為各平台特製的 JVM 上；適當的 JVM 會自動下載安裝，然後 applet 就「像變魔術一樣」跑起來。

在這個擴展意義下，幾乎任何電腦程式都可視為虛擬機：它是軟體——一份有系統的指令清單——一旦運行，就把通用電腦變成一台「本可以設計成硬體並接線做出來」的專用機器。

圖靈的通用機器：一台硬體就夠#

圖靈（Alan Turing）最傑出的貢獻之一，是「通用」電腦的構想（今日稱為通用圖靈機（Universal Turing machine））：只要在它上面安裝並運行一支程式，它就能變成任何設計清楚的其他電腦。

你不必打造所有可想像的硬體電腦；一台硬體電腦就夠了，其餘全交給軟體。拿一堆具有高度可塑性的東西——可調的「記憶」格或暫存器——把一組指令放進去，執行後就能把它變成任何你能清楚想像的電腦。

一台圖靈機（或一台筆電）一次執行一條指令再跳到下一條，但這概念可推廣到能同時執行數百萬條指令的「平行」電腦。暫存器（register） 是硬體中任何能維持自身於某一狀態、直到有東西命令它改變的位置。任何能在這些狀態上執行基本操作的暫存器系統，都能被設定來「計算一個函數」或「運行一支程式」——因此都能運行一台利用這些基本步驟的虛擬機。

而且，能做一次的把戲就能做兩次、三次：於是有了虛擬機之中還有虛擬機、之中還有虛擬機……最底層才是硬體。

層層堆疊：見樹又見林#

考慮一支用 Common Lisp（高階語言）寫、跑在 Windows 7（作業系統）、又跑在 PC 上的下棋程式。這是一台 PC 假裝成 Windows 機器、假裝成 Lisp 機器、假裝成下棋機器。

• 在最高層次看程式細節，懂電腦又懂棋的觀察者大致能理解（「啊，這個子程式生成移動主教後所有合法應手，再呼叫評估子程式……」）。
• 若去看同一支程式實際的機器碼——餵進硬體指令暫存器的那串零與一——則是讓人抓狂或看瞎的好辦法。
• 在每一層，我們都能見樹又見林，因為更低層的細節被方便地隱藏了。

電腦上「虛擬機的層層堆疊」與心靈的「同源人（homunculi）層層堆疊」（即同源功能論，homuncular functionalism）之間的對應，絕非巧合。正是虛擬機在幫我們創造並理解那些過去令人費解之任務（訂機票、下棋、預測天氣、聽寫等）的物質實現上大獲成功，才點燃了一個希望：當我們逆向工程大腦時，或許能玩出一個類似（也僅止於類似）的把戲。

借鏡到大腦：法語虛擬機與英語虛擬機#

或許，說法語的人腦之間的相似性（儘管解剖上差異可見），最好在虛擬機層次來描述：所有說法語的人，腦中都有某個版本的 FVM（法語虛擬機）——一套由互鎖的傾向或微習慣構成、以某種方式儲存在大腦數十億個暫存器裡的系統。說英語者的腦則由類似的可靠模式系統來區分，即 EVM。

對法語者說「Donnez-moi le sel, s’il vous plaît」，FVM 會可靠地控制出與你餵給英語者腦中 EVM「Please pass me the salt」時所引出的同一行為。問題是：我們要怎麼在大腦裡打造出這樣一台能運行的 FVM 或 EVM？

我們還不知道如何描述下棋或說法語的大腦活動中的這些不同層次。這裡幾乎不會有那種讓程式設計師能在最高層次充滿信心地設計、並確信一支能跑的程式會從編譯器裡湧現出來的精確映射。

不過我們如今確實握有一個重要的概念驗證（proof of concept）：我們至少知道一種辦法，能理解一台擁有數兆個運動零件的機器所展現的高層能力——而完全不必祈靈於任何「神奇組織」。