古今計算機精彩簡史
計算機爲什麼是今天這樣子？本文將用一氣呵成的方式，把計算機發展歷史快速縷一遍。
小時候，見過計算器，能很快完成計算，當時心想，計算器真厲害，能提前把所有結果存儲下來。
後來，吵着鬧着要買小霸王學習機，最後如願變成遊戲機，經典遊戲“超級瑪麗”和“坦克大戰”至今歷歷在目。
後來，讀初中，有了象徵意義上的電腦課，穿着鞋套去電腦室，完全不會操作。有一次，把電腦弄死機了，嚇得不輕，梅老師瞪了我一眼，直接把電源關了。
然後，他回到他自己的電腦上，瀟灑地聽着任賢齊唱“讓我悲也好，讓我醉也好......”。那時，我知道了電腦還能唱歌。對電腦的屏幕畫面，也只有個模糊的印象：
那時的電腦顯示器，真的很醜陋，在很長一段時間內，我一直誤以爲，這一大坨東西就是電腦的全部。其實，它只是顯示器而已，遠非核心部件。
廣義上講，上面提到的電子計算器、小霸王學習機和初中見到的那些電腦，都是計算機。你現在拿在手上用於閱讀的手機，也是計算機。總之，計算機無處不在。
要了解計算機，就應該瞭解它的發展過程，去探索歷史上那些精彩的瞬間。本文從宏觀的角度，浮光掠影般瞭解一下計算機歷史。我們將以下圖的框架目錄來展開簡述：
一. 手動計算機
這裡講的手動計算機，是從遠古時代到17世紀初。很久很久以前，女同志白天忙採集，男同志白天忙打獵，昨日獵回幾隻羊，今朝逮回幾隻兔，都需要計數，這涉及到數的表示。
計數的歷史
遠古時代的人，也有十個手指，所以採用手指來計數，是很順其自然的事情，這也就是十進制的來源。小時候，我們學習十以內數字的加減，就是用手指來計數，來看常見表示：
我們來看下牛津詞典對digit的解釋，手指和數字的關係，一目瞭然。digit既有手指的意思，也有數字的意思。我們也順便學會了digit, digital, bit(binary digit)這幾個單詞。
想一下，手指計數有哪些不足？很顯然，當數字變大後，手指個數不夠了。而且，古代的人也需要吃飯， 某天逮回3只羊，用手指記錄下來，吃飯時還得保持手指計數的姿勢。
至於睡覺，那也睡不好，睡醒之後，手指鬆了，一切都忘了，這就尷尬了。得想其他辦法，很自然地，不要用手指這樣的“活物”來計數，用石頭吧，畢竟石頭不需要吃飯睡覺：
我們來看下calculus這個單詞。容易看到，石頭和計算也聯繫在一起，歷史淵源，原來如此。順便地，很輕鬆地學了單詞，下次看到calculator, calculation, 豈會陌生?
想象一下，要把石頭從北京帶到深圳，該多麻煩。石頭太笨重了，還是不好，得想其他辦法。於是，人們想到用繩子來計數，輕鬆多了，攜帶也更加方便了。
英語單詞cord就是繩子的意思，record就是記錄的意思，用繩子來記錄嘛。從詞源學來看，cord和record還是很有淵源的，很多東西聯繫起來就簡單了。
用結繩計數的人，可能會深刻理解李煜說的“剪不斷，理還亂”，“別是一般滋味在心頭”。我曾遇到過多次解不開結而苦惱的場景，相信你肯定也有，看着就頭大頭暈。
而且，繩子計數沒法處理篡改的問題。昨天我從你那裡借了3只兔，在繩子上打3個結，晚上回家偷偷解開其中的1個結，這就尷尬了，可見，要防止單方面偷偷篡改。
於是，古人採用了刻痕計數，有了刻痕，雙方立下契約，劈成兩半，每人一份，防止單方篡改。在商朝時，甲骨文很流行。前幾年，還有人在高考作文中用甲骨文呢。
我們提到的手指、石子、繩子和刻痕，主要用來計數，有了計數後，我們得對它進行加減乘除運算，這就涉及計算。接下來，我們簡要聊聊計算方法和工具的發展。
計算的歷史
中國的算籌，歷史悠久。也有很多詞語中包含籌，如觥籌交錯，運籌帷幄等，現代管理學中還有一門“運籌學”的課程。所謂籌，就是竹子，跟擺弄火柴棍差不多。
來看算盤，估計很多人見過，我家就有這個東西，“三下五除二”貌似盡人皆知。樓下培訓機構有個“珠心算課程”，曾經探頭去看了一眼，不怎麼火熱，來看看算盤：
再來看納皮爾籌，我琢磨了一下，道理很簡單，本質就是“九九乘法表”。比如，要計算125*8的值，預期結果是1000，具體是怎麼計算的呢？我試了一下，如圖：
納皮爾發明了對數，大家在高中肯定學過。大家應該記得這個符號：logaN, 那個N不僅僅指代正整數，也指代納皮爾名字中的N，表示對這位計算先驅的紀念。
後來，拉普拉斯說：對數的發明，以其節省勞力，而使天文學家的壽命增加一倍。伽利略說：給我空間、時間和對數，我就能創造宇宙。對數的本質是降維。
什麼意思呢？對數可以把乘法除法轉化爲加法減法。類似的做法是非常普遍的，傅里葉級數，傅里葉變換，拉普拉斯變換，Z變換，都是如此，降維降級處理。
以常用的傅里葉變換爲例，它把卷積運算降維爲乘法運算，實現了積分向乘法的轉換，使得計算複雜度大大降低，學過《信號與系統》的朋友，應該深有感悟。
再來看看由對數引出的滑尺計算，這個尺子是按照對數來製作的。很容易看出2*3=6，直接用尺子得到了結果，其背後的數學邏輯便是對數，log2+log3=log6, 所以2*3=6
那年國慶節，看了核潛艇之父黃旭華老先生獲得了共和國勳章獎，在他的一個視頻，有一把計算尺，在那個年代，就是靠類似的計算尺完成核潛艇計算的，挺不容易。
無論是算籌、算盤、納皮爾籌還是滑尺，都需要人蔘與具體過程和計算細節。那麼有沒有這樣的工具：輸入3和4，讓工具自動得到7呢？那就來看自動計算的工具吧。
二. 機械計算機
機械計算機時代是從17世紀初到19世紀末。契克卡德是德國人，他製作了一個計算鍾，能實現簡單自動計算，當時的工藝肯定沒有下圖這麼精美，下圖是後人做的複製品：
法國的帕斯卡，就是搞壓強的那個物理學家。著名編程語言Pascal之名，正是取自帕斯卡，以紀念這位計算機先驅。帕斯卡製作了加法器，看着那些齒輪，真想去擰一擰：
德國的數學家萊布尼茨，就更有名了，也是個非常自負的傢伙。大學高等數學中的“牛頓-萊布尼茨”公式，應該熟悉吧，還有萊布尼茨對於交錯級數是否發散的判定方法。
他敢跟牛頓爵爺叫板，還是有幾把刷子的。另外，據說，萊布尼茨對二進制的發明，也有較大的貢獻，這是現代計算機計算的基礎。萊布尼茨當時做了個機器，能做乘法：
在計算機發展史上，上面都是鋪墊，直到巴貝奇差分機，纔有了一些現代計算機理念的感覺。作爲現代計算機的鼻祖，巴貝奇爲計算機奮鬥一生的精神，一直鼓勵着很多人：
巴貝奇分析機更是思維超前，雖然最終沒有實際製造出來，但閃爍着天才般的智慧和火花，很多理念與現代計算機原理非常相似，來看下巴貝奇分析機模型，感覺挺炫酷的：
巴貝奇帶着遺憾離開人世，但給後人留下了寶貴遺產。1832年，17歲的Ada參觀了巴貝奇差分機，深深着迷。在巴貝奇去世後，Ada繼續發揚光大巴貝奇的工作，爲機器編程。
Ada被認爲是計算機歷史上的第一個程序員，是個女程序員哈。美國國防部曾經花了10年時間研發了一種編程語言，在命名時，他們想到了Ada, 並以此來命名，這就是Ada語言。
Ada的父親，是英國著名詩人拜倫，可曾記得他那經典的話：命運要我去流浪的地方還不少，去時還帶着多少可嘆的記憶；但我唯一的慰藉的事情是：最不幸的遭遇也不足爲奇。
扯遠了，迴歸正題。可以看到，在機械計算機時代，人們用各種方式來製造精巧的機器，讓機器完成簡單的計算，這是很大的飛躍， 因爲它把人從具體的計算過程中解放出來了。
三. 機電計算機
機電計算機是從19世紀末到20世紀40年代。機械和機電的差別，從名字上就可以看出來。自18世紀中葉以來，電學蓬勃發展，一些機器開始可以用電來驅動了。
美國憲法中這樣一條規定：每10年需要做一次人口普通。1880的人口普查，花了7年的時間纔得到結果。這就尷尬了，3年後，也就是1890年，還得再次普查。
隨着美國人口越來越多，會出現這樣的問題：前一輪還沒普查完，後一輪又要開始。於是，開始想辦法儘量實現自動化，霍爾瑞斯發明了製表機，並脫穎而出。
1890年的人口普查數據，是1880年的兩倍，但總共卻只耗時2年左右。當時，霍爾瑞斯製表機沒有選擇二進制，原因：二進轉換困難，二進制機器製作困難。
人口普查後，霍爾瑞斯名聲大振。在1896年，他開了個製表機公司。在1924年，公司改名爲IBM, 響噹噹的名字，快100年了，IBM在每個時代，幾乎都不落伍。
在第二次世界大戰中，各國基於軍事需要，大力投入了計算機的研究，但是，德國似乎不怎麼看好計算機，希特勒更相信武器本身的威力，更相信密集式地狂轟亂炸。
祖斯，德國著名的計算機先驅，在1935-1945這十年左右的時間，先後建成了Z1/Z2/Z3/Z4計算機，這些計算機時運不濟，命途多舛，要麼不被重用，要麼被戰火吞噬。
祖斯的Z1/Z2/Z3/Z4都很有創造性，比如，Z1驗證了機器計算的可行性，Z2是第一臺電磁式計算機，Z3可以用二進制控制Z4能用穿孔紙袋輸入輸出，甚至是處理條件。
在第二次世界大戰中，德國不怎麼重視計算機， 但美國就不一樣了，各類計算機相關的研究如火如荼地進行。也就是從這時開始，美國在信息領域的領先地位開始建立。
史蒂比茲在自己的廚房，用二進制做實驗，驗證二進制的可行性。很多書上能看到Model K, 這個K就是kitchen，是廚房的意思，他老婆取名Model K，挺有意思的哈。
貝爾實驗室的Model是一個系列，有很多不同的機型，比如Model I, 能完成遠程通信，畢竟電話與通信是貝爾實驗室的強項，這也爲後來計算機網絡的發展奠定了基礎。
哈佛大學也不甘落後，與IBM合作製作了哈佛Mark系列，不過其總設計師艾肯卻宣稱哈佛Mark I是他一個人搞起來的，IBM的小沃森自然很惱火，最終不得不分道揚鑣：
哈佛Mark II是當時最大的繼電器是計算機，有13000多個繼電器。我們來看看繼電器長啥樣子。我還記得，在讀初三時，物理課上，老師深入講解過繼電器：
1947年9月9日，那是一個秋季的九九豔陽天，一個蛾子飛進了哈佛Mark II的一個繼電器，導致繼電器失效，機器無法正常工作，這就是歷史上有名的bug事件。
如今的軟件開發中，大家常說的軟件bug, 就是指軟件缺陷或者漏洞，實際上，其實說的就是1947年的那隻該死的蛾子。工作之後，我天天抓bug，抓得不亦樂乎。
四. 電子計算機
電子計算機從20世紀40年代至今，一直方興未艾。 繼電器雖然可以用來做計算機零件，但並不完美，它是機械的，反覆移動，容易斷裂，而且速度還很慢。
於是出現了電子管，也稱真空管，繼電器能做的二進制功能邏輯，電子管都能做，而且速度更快，快1000倍。來看看電子管長啥樣，我覺得挺好看，顏值不錯：
當時，很多機電計算機由繼電器構成，但到了1945年，電子管計算機基本上取代了機電計算機，線路亂七八糟，操作計算機的方式就是插電線， 拔電線。
那時的操作員，相當於今天的程序員，都是“編程”。不同之處是，那時工作很繁瑣，需要耐心，有很多女孩子加入，於是，男孩子也不愁找不到女朋友了。
不像今天，程序員找個女朋友，費勁得很，可能是因爲女程序員太少了。不久之前，有個男程序員就跟我聊天，吐槽這件事情，我就聽聽，然後樂呵笑了。
電子管計算機固然快，但很昂貴，而且還受到“愛迪生效應”的影響：電子管工作的時候，容易發熱，動不動就被燒壞，這對於穩定性來說，是很致命的呢。
比方說，好不容易寫好一篇公衆號文章，辛辛苦苦花了一週時間，結果某個電子管燒壞了，整個計算機失靈，文章丟失，肯定要罵人，丟過文章的人都知道。
鑑於電子管的缺點，人們開始研究新的器材。1947年，晶體管誕生了，學過模擬電路的朋友，應該很熟悉這個東西，我的專業就與此相關。話不多說，來看下晶體管外形：
1956年，肖克利因發明了晶體管而獲得了諾貝爾物理學獎，晶體管改變了世界。肖克利本人名利雙收，但想搞更多的錢，於是開始開公司，可是他智商很高，情商太低。
於是，肖克利手下的八個人，先後離開了他。肖克利自然不滿，給這八個人扣了一個大帽子，即“八叛逆(The Traitorous Eight)”，這可是很厲害的八個人哦，一起來看看：
1957年，這八個人接受一家公司資助，成立了後來很有名的仙童半導體公司，上圖的的字母F, 就是Fairchild, 意思就是仙童。學電子電路的朋友，應該基本都聽說過這個公司，它被譽爲是硅谷的西點軍校。
喬布斯就曾將其比作成熟的蒲公英，只要風一吹，其創新的精神，就像蒲公英的種子那樣，四處飛揚，生根發芽。然而，天下沒有不散的筵席，他們又陸續離開仙童公司，於是有了Intel和AMD, 是不是很熟悉?
大家電腦中的CPU, 基本都是這兩家的搞出來的。這裡順便說一下，摩爾是Intel的創始人之一，他提出了著名的摩爾定律，至今仍有效，並支配着硬件的發展。貌似扯遠了，我們來繼續看當時的晶體管計算機：
儘管晶體管使計算機簡化了很大，但計算機仍然是龐然大物，還能繼續進行壓縮嗎？1958年，就職於德州儀器公司的傑克基爾比，發出疑問：爲什麼不在一塊硅片上，製造多個晶體管呢？這就是集成電路。
1959年，肖克利八弟子之一的羅伯特諾依斯(Intel創始人之一)， 也想到了同樣的方法。他們後來爲誰先發明集成電路而爭論不休，現在普遍的觀點是：他們獨立發明了集成電路，可以說都是集成電路之父。
說到羅伯特諾依斯，在喬布斯的“Stay Hungry, Stay Foolish”演講中，他說自己被趕出蘋果公司後，曾去找過羅伯特諾依斯和HP創始人之一的戴維帕卡德，估計是一起喝酒吐槽。來看下集成電路芯片吧：
然而，這種集成度還遠遠不夠，能不能在更小的芯片上集成更多的晶體管和電子元件呢？當然可以，這就是大規模和超大規模集成電路。一塊芯片，指甲那麼大，居然集成了上億個晶體管和電子器件，而且還要正常穩定工作，每每想到此，就不寒而慄了。
當年佔據整個房間大小的計算機，如今竟然被集成得這麼小， 而且功能遠遠超過當時的計算機。這背後是數學、物理、化學、微電子學、電磁學、光學和量子力學等學科的功勞。難怪華爲任總說：搞芯片，砸錢是不行的，要砸數學家，物理學家和化學家。
講到這裡，似乎把計算機發展簡史敘述了一遍，但僅僅是從計算機硬件角度進行的，並不是計算機發展歷史的全部，甚至只能算作是冰山一角。
從計算機科學上看，沒有講到計算機科學之父——阿蘭圖靈，沒有講到現代計算機之父——馮諾依曼，沒有講到信息論之父——克勞德香農。此外，對於計算機型號、計算機公司、軟件發展、操作系統、編譯器、各種編程語言、數據庫、計算機網絡等等都沒有講到。所以這篇文章是不完整的，也不可能在一篇文章中把所有的東西介紹完畢，畢竟浩如煙海。
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
來源：濤歌依舊
編輯：牧魚
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