计算机的发展史

计算机发展的早期历史

算盘

最早的计算设备

算盘的出现是因为社会的规模已经超出个人心算的能力。
说明算盘的使用方法和算盘的变种：
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  1. 星盘——让船只可以在海上计算纬度；
  2. 计算尺——帮助计算乘法和除法；
  3. 各种时钟——计算日出、潮汐、天体位置或计时。
  4. ……

这些设备让原先很费力的事变得更快、更简单、更精确，降低了门槛，加强了我们的能力。将多次提到

随着知识的增长和新工具的诞生，人工劳力会越来越少。 ——计算机先驱 Charles Babbage

Computer 从指代职业变成指代机器
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最早使用“计算机”一词的文献，来自1613 年 Richard Braithwait 的一本书。
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步进计算器——第一个可以做加减乘除的机器

步进计算器由德国博学家戈特弗里德 · 莱布尼茨建造于 1694 年
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但是，即使有机械计算器，在许多现实问题上依然需要很多步才能解决。算出一个结果可能要几小时甚至几天。
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并且这些手工制作的机器非常昂贵，大部分人买不起。

计算表——由“人力计算器”编撰

与其花一整天来手摇 “步进计算器”，不如花一分钟在表里找答案。
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射程表——用计算的方法精确瞄准炮弹

根据环境条件和射程查得炮弹的出射角度。
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但如果改变了炮弹的设计就要重做一张新表。耗时，并且容易出错。

差分机

一种更复杂的机械装置，能近似多项式、近似对数、三角函数等。
Charles Babbage 在 1823 年开始建造差分机。在接下来的二十年，制造和组装 25,000 个零件，总重接近 15 吨。不幸的是，该项目最终被放弃。1991 年，历史学家根据其设计草图完成了差分机的制造。
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分析机

在构造差分机期间，Charles Babbage 想出了分析机，分析机是通用计算机。
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分析机是“通用的计算机”，它可以做很多事情，而不只是特定的运算。甚至可以给它数据，然后按顺序执行一系列操作，它甚至也有内存……但像差分机一样，这台机器太超前了而没能建成。
分析机的研究激励了第一代计算机科学家把很多 Charles Babbage 的点子融入到他们的机器，所以 Charles Babbage 经常被认为是“计算之父”

然而，“自动计算机”的概念（计算机可以自动完成一系列操作）具有跨时代的意义，预示着计算机程序的诞生。

世界上第一位程序员——Ada Lovelace

英国数学家 Ada Lovelace 给分析机写了假想的程序。

未来会诞生一门全新的，强大的，专为分析所用的语言 —— Ada Lovelace

打孔卡片制表机

1890 年，美国政府在人口普查中面临着严重的问题，美国宪法要求 10 年进行一次人口普查以分配联邦资金，国会代表名额等。由于美国人口的迅速增长（移民），1890 年的人口普查预计要 13 年才能完成。
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人口普查局找了 Herman Hollerith，他发明的“电动机械式”打孔卡片制表机用传统机械来计数（结构类似莱布尼茨的乘法器），用电动结构连接其他组件。用带有网格的纸卡通过打孔来记录处理数据。

在会计，保险评估和库存管理等行业，企业开始意识到计算机的价值，如通过提升劳动力及数据密集型任务来获得更多的利润）

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为了满足这一需求，Hollerith 成立了制表机器公司，1924 年与其它机械制造商合并为“国际商业机器公司”，简称 IBM。
到了 1900 年代中叶，世界人口的爆炸和全球贸易的兴起，要求更快、更灵活的工具来处理数据。这些都为电子计算机的发展奠定了基础。

电子计算机的发展

20 世纪的要求计算机有更强的计算能力 人类社会的规模在以前所未有的速度增长：20 世纪上半叶，世界人口几乎翻倍。一战动员 7 千万人，二战 1 亿多人。全球贸易和运输更加紧密。工程和科学的复杂度也达到新高。我们甚至开始考虑登陆其他行星。复杂度的增高导致数据量暴增。 人们需要更多的自动化、更强的计算能力，很快，柜子大小的计算机变成房间大小、维护费用高并且容易出错。而正是这些机器，为未来的创新打下基础。

哈佛 Mark 1 号

IBM 在 1944 给二战同盟国建造了哈佛 Mark 1 号，用于给“曼哈顿计划”跑模拟。
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哈佛 Mark 1 号共有 765,000 个组件、300万个连接点和500英里长的导线。还有一个 5 马力的电机驱动 50 英尺的传动轴以保持内部机械装置的同步。

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这台机器的大脑是用电控制的机械开关——继电器。

继电器和水龙头一样，只不过控制的是电流。

继电器

继电器内的机械臂有质量而无法快速开关。1940 年代的一个好的继电器 1 秒内也只能翻转 50 次。

  • 速度慢：哈佛马克一号，1 秒能做 3 次加法或减法运算，一次乘法要花 6 秒，除法要花 15 秒。而更复杂的操作（如三角函数）可能要一分钟以上。
  • 易磨损：哈佛马克 1 号有大约 3500 个继电器，哪怕假设继电器的使用寿命是 10 年，也意味着平均每天得换一个发生故障的继电器。这是很严重的，因为有些重要运算要运行好几天。
  • 吸引 Bug：这个巨大、黑色、温暖的机器也非常吸引昆虫而导致继电器故障。Grace Hopper 曾说：“从那时起，每当电脑出了问题，我们就说它出了 bug（虫子）”。这就是术语“bug”的来源。

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真空管

真空二极管

在 1904 年，英国物理学家“约翰 · 安布罗斯 · 弗莱明”把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，发明了一种新的电子组件——热电子管——世上第一个真空二极管。
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其中一个电极可以被加热后发射电子（热电子发射），另一个电极会吸引电子，形成单向流动的电流。

真空三极管

二极管发明后不久，1906 年，美国发明家“李 · 德富雷斯特”在二极管的两个电极之间加入了第三个“控制”电极。
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向“控制”电极施加正电荷，将允许电子流动；施加负电荷，将阻止电子流动。
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因此通过控制线路，可以断开或闭合电路。这和继电器的功能一样。

但真空管内没有会动的组件而不会产生磨损。 并且，每秒可以开闭数千次。

随后，“三极真空管”成为了无线广播、长途电话，以及其他电子设备的基础，持续了近半个世纪。
尽管当时三极管同样很脆弱而昂贵，像灯泡一样会烧坏，但比起机械继电器时代，这是一次巨大进步。
随着成本的减少和可靠性的改进，计算机里百上千个的开关被三极真空管替代，标志着计算机从机电时代向电子时代的飞跃。

巨人 1 号

首次大规模使用真空管的计算机

计算机在英国 布莱切利园 。但编程麻烦，还要配置
巨人 1 号由工程师 Tommy Flowers 于 1943 年 12 月设计完工，布置在在英国的“布莱切利园”，用于破解纳粹通信。
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2 年前，计算机科学之父——阿兰 · 图灵也在“布莱切利园”做了台机电装置——Bombe。 Bombe 的设计目的是破解纳粹“英格码”的通讯加密设备。但严格来说 Bombe 不是计算机

巨人 1 号有 1600 个真空管，总共造了 10 台巨人计算机来破解密码。
“巨人计算机”被认为是第一个可编程的电子计算机。虽然可编程，但繁琐而需要配置。

编程方法：把几百根电线插入插板来让计算机执行正确操作。

通用可编程计算机 ENIAC

1946 年，John Mauchly 和 J. Presper Eckert 设计的电子数值积分计算机——ENIAC 在“宾夕法尼亚大学”诞生。成为了世界上第一个真正的通用、可编程的电子计算机。
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ENIAC 每秒可执行 5000 次十位数加减法。这比前辈快了很多倍。运作了十年完成的运算，比全人类加起来还多。真空管众多让故障很常见（ENIAC 每半天就会出现一次故障）。

1950 年代，真空管计算机都达到了极限。

晶体管

1947 年，贝尔实验室科学家 John Bardeen、Walter Brattain、William Shockley 发明了晶体管，又标志着一个全新的计算机时代的来临。这种新的电子开关，降低了成本和大小，提高了可靠性和速度。
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贝尔实验室的第一个晶体管就展示了巨大的潜力

每秒可以开关 10,000 次； 固态的晶体管体积远远小于继电器或真空管； 更耐用而不易损坏。

这些原因都让计算机更小而便宜。
IBM 很快把所有产品都转向了晶体管，1957年发布的 IBM 608 有 3000 个晶体管，每秒可执行 4500 次加法运算
或 80 次左右的乘除法。
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晶体管有两被半导体材料分隔的电极，和与半导体相连的电极，可以通过改变“门”的电荷控制半导体材料的导电性（有时候导电，有时候不导电）。
如今，计算机里的晶体管小于 10 纳米（而一张纸的厚度大概是 10 万纳米），每秒可以开关上百万次，并且能工作几十年。

晶体管和半导体最初在“旧金山”和“圣荷西”间的加州”圣克拉拉谷“开发。由于生产半导体的常见材料是“硅”，所以这个地区被称为“硅谷”。

肖克利半导体 → 仙童半导体 → 英特尔：后来 William Shockley 搬去了硅谷，创立了“肖克利半导体”。不久，里面的员工成立了“仙童半导体”并创立了当今世界上最大的计算机芯片制造商——英特尔公司。

计算机的应用