【電子算力時(shí)代】

第一次和第二次工業(yè)革命,，分別是蒸汽革命和電氣革命,，屬于能源和動(dòng)力方面的變革。

除了將電用于能源之外,，19世紀(jì)的科學(xué)家,，還開始探索電對(duì)信息存儲(chǔ)和傳遞的作用。1837年,，電報(bào)的發(fā)明,，就是一個(gè)重要的標(biāo)志,。

電報(bào)是將信息通過電脈沖的方式進(jìn)行傳遞。在傳遞之前,，還是要解決信息編碼問題,。

電報(bào)發(fā)明人塞繆爾·莫爾斯（Samuel Morse）在發(fā)明電報(bào)之前，先發(fā)明了摩斯碼,。摩斯碼就是將字符轉(zhuǎn)換成點(diǎn)dot（.）,、劃dash（-）兩種符號(hào)的一種編碼方式。電脈沖可以很好地傳遞這種編碼,。

后來,，人類對(duì)電技術(shù)的駕馭能力越來越成熟，我們又有了電話,?；陔姶爬碚摰陌l(fā)展，我們還有無線電報(bào)和廣播,。所有這些,，都為計(jì)算技術(shù)（信息技術(shù)）從機(jī)械化走向電子化作出了鋪墊。

1937-1946：電子計(jì)算機(jī)的誕生

機(jī)械時(shí)代的計(jì)算機(jī),，可以通過齒輪或者帶刻度的圓柱,，進(jìn)行數(shù)字的標(biāo)記。到了電子時(shí)代,，這樣做就不太合適了,。電的特點(diǎn)是有（通電）和無（不通電），它比較適合的,，顯然是二進(jìn)制。

17世紀(jì)后半葉,，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨（是的,，又是他。他也是微積分的發(fā)明人）率先提出了二進(jìn)制,。他形象地用1表示上帝,，用0表示虛無，上帝從虛無中創(chuàng)造出所有的實(shí)物,。

19世紀(jì)中葉,，英國(guó)數(shù)理邏輯學(xué)家喬治·布爾（George Boole）提出了邏輯代數(shù)（后來被人們稱為“布爾代數(shù)”）。

他通過二進(jìn)制,，將算數(shù)和簡(jiǎn)單的邏輯統(tǒng)一起來,，通過使用與、或,、非等邏輯運(yùn)算符,，以及基于真和假的二值邏輯,，為我們提供了一種理解和操縱邏輯關(guān)系的工具。

布爾代數(shù)為計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制,、開關(guān)邏輯電路的設(shè)計(jì)鋪平了道路,，并最終為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)明奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

除了邏輯基礎(chǔ)之外,，硬件當(dāng)然也要跟上,。

1904年，英國(guó)人約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）發(fā)明了真空電子二極管,，可以實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ?，檢波、整流,。1906年,，美國(guó)人德·福雷斯特（Lee De Forest）在二極管的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，發(fā)明了真空三級(jí)電子管,，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大,。

真空管的出現(xiàn)，推動(dòng)人類電子技術(shù)向前邁了一大步,，初步補(bǔ)足了硬件短板,。

那一時(shí)期，信息存儲(chǔ)技術(shù)也有了很大進(jìn)步,。

1898年,，丹麥工程師瓦蒂瑪·保爾森（Valdemar Poulsen）在自己的電報(bào)機(jī)中首次采用了磁線技術(shù)，使之成為人類第一個(gè)實(shí)用的磁聲記錄和再現(xiàn)設(shè)備,。1928年,，德國(guó)工程師弗里茨·普弗勒默（Fritz Pfleumer）發(fā)明了錄音磁帶。1932年,，奧地利工程師古斯塔夫·陶謝克（Gustav Tauschek）發(fā)明了磁鼓存儲(chǔ)器,。

磁性存儲(chǔ)時(shí)代，正式開始了,。

1937年,，英國(guó)劍橋大學(xué)的阿蘭·圖靈（Alan M. Turing）提出了被后人稱之為“圖靈機(jī)”的數(shù)學(xué)模型。這為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯工作方式指引了方向,。

同樣是1937年,，貝爾試驗(yàn)室的喬治·斯蒂比茲（George Stibitz）展示了用繼電器表示二進(jìn)制的裝置。盡管僅僅是個(gè)展示品,，但卻是第一臺(tái)二進(jìn)制電子計(jì)算機(jī),。

二戰(zhàn)爆發(fā)后，軍事需求大大刺激了算力的發(fā)展,。軍方需要更加強(qiáng)勁的算力,，完成密碼加密解密,、火炮彈道計(jì)算甚至火箭發(fā)射等重要任務(wù)。

1941年12月,，德國(guó)人康拉德·楚澤（Konrad Zuse）制作完成了世界上第一臺(tái)可編程電子計(jì)算機(jī)——Z3,。

這臺(tái)計(jì)算機(jī)用于空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，使用了大量的繼電器和真空管,，每秒鐘能做3到4次加法運(yùn)算,，一次乘法需要3到5秒。（遺憾的是,，Z3后來毀于柏林轟炸,。）

1942年，美國(guó)愛荷華州立大學(xué)物理系副教授阿塔納索夫（John V.Atanasoff）和他的學(xué)生克利福德·貝瑞（Clifford Berry）設(shè)計(jì)制造了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī),，名為"ABC"（Atanasoff-Berry Computer）,，也被稱為“珍妮機(jī)”。

ABC使用了IBM的80列穿孔卡作為輸入和輸出,，使用真空管處理二進(jìn)制格式的數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，則是使用的再生電容磁鼓存儲(chǔ)器（Regenerative Capacitor Memory）,。

雖然ABC無法進(jìn)行編程（僅用于求解線性方程組）,，但使用二進(jìn)制數(shù)字來表示數(shù)據(jù)、使用電子元件進(jìn)行計(jì)算（而非機(jī)械開關(guān)）,、計(jì)算和內(nèi)存分離等特點(diǎn),，都足以證明它是一臺(tái)現(xiàn)代意義上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。

1944年,，在IBM公司的支持下,，哈佛大學(xué)博士霍華德·艾肯 (Howard Aiken) 成功研制了通用電子計(jì)算機(jī)——Mark I，也稱ASCC（Automatic Sequence Controlled Calculator,，自動(dòng)控制序列計(jì)算器）,。

Mark I長(zhǎng)16米，重4.3噸,，擁有75萬個(gè)零部件，使用了800公里長(zhǎng)的電線,，300萬個(gè)連接,、3500個(gè)多極繼電器、2225個(gè)計(jì)數(shù)器,。

它可以在一秒鐘內(nèi)進(jìn)行3次加法或減法,。乘法需要6秒，除法需要15.3秒,，對(duì)數(shù)或三角函數(shù)需要超過1分鐘,。當(dāng)時(shí),，它被用來為美國(guó)海軍計(jì)算彈道火力表。

值得一提的是,，第一個(gè)在Mark I上運(yùn)行的程序是由馮·諾依曼（John von Neumann）于1944年3月29日牽頭開發(fā)的,。當(dāng)時(shí)，馮·諾依曼正在研究曼哈頓計(jì)劃,，需要確定內(nèi)爆是否是原子彈的可行選擇,。

還需要提一句，Mark I的研究團(tuán)隊(duì)中,，有一位名叫格蕾絲·霍珀（Grace Hopper）的海軍預(yù)備役女軍官,。“bug（現(xiàn)在經(jīng)常指代程序漏洞）”這個(gè)詞,，就是她引入的,。

1945年，Mark II在運(yùn)行過程中,，飛進(jìn)了一只飛蛾,，導(dǎo)致出現(xiàn)故障?；翮晗麥缌孙w蛾,，解決了問題，成為第一個(gè)“調(diào)試（debug）”計(jì)算機(jī)的人,。

終于,，到了1946年2月14日，大名鼎鼎的ENIAC（埃尼阿克）誕生了,。

ENIAC是一個(gè)真正的“龐然大物”,。它占地170平方米，重達(dá)30噸,，功率超過150千瓦,。

之所以體積和功耗這么大，是因?yàn)樗捎昧?7468根真空管,。這些真空管,，使其可以每秒完成5000次加法或400次乘法，約為手工計(jì)算的20萬倍,。

ENIAC在人類計(jì)算機(jī)發(fā)展史上擁有重要地位,，也有極高的知名度。至少我們的《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論》課本上,，肯定有它的名字,。

這里需要澄清一下，雖然人們一貫將ENIAC稱為世界上第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī),，但這個(gè)說法其實(shí)是有爭(zhēng)議的,。

前面提到的ABC,，就是這個(gè)稱謂的有力爭(zhēng)奪者。ENIAC甚至稱不上第二,。那一時(shí)期問世的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)很多,，嚴(yán)格來說，ENIAC只能排第11,。

國(guó)外主流觀點(diǎn)認(rèn)為,，ENIAC的設(shè)計(jì)者盜竊了ABC的設(shè)計(jì)。1973年,，美國(guó)法院也裁定,，取消了ENIAC的專利，認(rèn)定ENIAC專利是ABC的衍生品,。

關(guān)于誰是第一,，我們就不多討論了。反正,，1945年左右,，電子計(jì)算機(jī)誕生的浪潮，標(biāo)志著人類算力正式進(jìn)入了數(shù)字電子計(jì)算機(jī)時(shí)代,。波瀾壯闊的信息技術(shù)革命,，正式開啟。以計(jì)算機(jī)為中心的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè),，也正式起步,。

從這一刻起，人類的算力,，進(jìn)入了全新的階段,。

1946-1949：信息革命的奠基

1945年至1948年，除了ENIAC誕生外,，科技領(lǐng)域還發(fā)生了好幾件大事,。
第一件大事：馮·諾依曼架構(gòu)的提出

馮·諾依曼（John Von Neumann）是美籍匈牙利人，1903年出生,，1930年移民美國(guó),，成為普林斯頓大學(xué)的教授。

1944年,，馮·諾依曼開始參與原子彈的研制,。因?yàn)檠兄七^程需要進(jìn)行大量的計(jì)算，他就開始關(guān)注計(jì)算機(jī)相關(guān)的研究進(jìn)展,。經(jīng)人引薦，他作為顧問,，參與到了ENIAC的研究中,。

基于ENIAC的研究,，馮·諾依曼等人在1945年又提出了一個(gè)新的方案——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，電子離散變量計(jì)算機(jī)）,。

在馮·諾依曼撰寫的總結(jié)報(bào)告《關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案》中,，他詳細(xì)闡述了一種制造電子計(jì)算機(jī)和進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的新思路，并設(shè)計(jì)了由運(yùn)算器,、邏輯控制,、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備組成的新型架構(gòu),。

是的沒錯(cuò),，這就是著名的馮·諾依曼架構(gòu)。

直到現(xiàn)在,，馮·諾依曼架構(gòu)仍然是我們計(jì)算機(jī)的主流架構(gòu),。基于這個(gè)貢獻(xiàn),，馮·諾依曼也被世人譽(yù)為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”,。（他在數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)也很卓著，被稱為“博弈論之父”,。）

第二件大事：信息論的提出

1948年,，貝爾實(shí)驗(yàn)室的克勞德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）出版了《通信的數(shù)學(xué)理論》。這本書被看作是信息論的奠基之作,。

香農(nóng)給出了通信系統(tǒng)的基本模型,，提出了信息熵的概念以及數(shù)學(xué)表達(dá)式。

他指出,，信息是可以被量化的,，用數(shù)字編碼可以代表任何類型的信息。香農(nóng)還推出了比特（bit）的概念,，將其稱為“用于測(cè)量信息的單位”,。

香農(nóng)提出的香農(nóng)公式，更是指導(dǎo)了整個(gè)通信行業(yè)發(fā)展,，直到現(xiàn)在也沒有被突破,。

簡(jiǎn)單來說，香農(nóng)的信息論,，為信息技術(shù)奠定了真正的理論基礎(chǔ),。他是當(dāng)之無愧的現(xiàn)代信息通信技術(shù)“祖師爺”。

第三件大事：晶體管的發(fā)明

1947年,，同樣是來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉·肖克利（William Shockley）,、約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain），共同發(fā)明了世界上第一個(gè)晶體管,。

晶體管的問世,，為電路的小型化打下了基礎(chǔ)，也為集成電路以及芯片的出現(xiàn)創(chuàng)造了前提,。它開辟了電子時(shí)代的全新紀(jì)元,。

上面說的三件大事，是信息技術(shù)革命爆發(fā)的前提條件,，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步造成了極其深遠(yuǎn)的影響,。

1950-1967：集成電路時(shí)代

1951年，發(fā)明了ENIAC的約翰·?？颂兀↗. Presper Eckert）和約翰·莫奇利（John Mauchly）再度合作,，研制了世界上第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——UNIVAC-1。

這套系統(tǒng)被美國(guó)人口普查部門用于人口普查,，它還成功預(yù)測(cè)了1952年底的美國(guó)總統(tǒng)大選,，一夜之間名聲大噪。

1952年,，馮·諾依曼領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)的EDVAC終于制造完成,，開始運(yùn)行。

相比ENIAC,，EDVAC擁有獨(dú)立的存儲(chǔ),，是第一臺(tái)使用磁帶的計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí),，磁存儲(chǔ)已初露鋒芒,，成為信息載體的新選擇。

晶體管的應(yīng)用

再后來,，晶體管技術(shù)開始逐漸成熟,，進(jìn)入市場(chǎng)。相比真空管（電子管）,，晶體管的體積更小,，功耗更低，使得電子設(shè)備變得更加小巧,、省電,。

1954年，世界上第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC,，在美國(guó)空軍投入使用（貝爾實(shí)驗(yàn)室研制）,。其運(yùn)行功耗不超過100W，體積不超1立方米,，相比當(dāng)年的ENIAC有天壤之別,。

1958年,，美國(guó)的RCA公司造出了世界上第一臺(tái)全部使用晶體管的計(jì)算機(jī)——RCA501。

不久后,，1959年,，IBM公司不甘落后，也生產(chǎn)出全部晶體管化的計(jì)算機(jī)——IBM 7090,。

基于IBM 7090，美洲航空公司和IBM共同研發(fā)了世界上第一款訂票系統(tǒng)——Sabre,。Sabre迅速普及,，帶動(dòng)了IBM計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)份額激增，也給其它行業(yè)展示了計(jì)算機(jī)的巨大潛力,。

集成電路的誕生

說到這里,，我們要回過頭，講講發(fā)明了晶體管的威廉·肖克利,。

肖克利所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)雖然合作發(fā)明了晶體管,，但內(nèi)部關(guān)系并不好。主要原因,，是因?yàn)樾た死@個(gè)人為人刻薄,，很難相處。晶體管發(fā)明后,，沒多久,，團(tuán)隊(duì)成員紛紛離開了他。

1954年,，肖克利在貝爾實(shí)驗(yàn)室也待不下去了,，就跑去教書。再后來,，1956年,，他來到美國(guó)西部加利福尼亞州的山景城，在一個(gè)名叫Palo Alto的小城市（后來是硅谷的一部分）,，成立了“肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”,。

實(shí)驗(yàn)室吸引了很多優(yōu)秀年輕人的加入。其中就包括羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）和戈登·摩爾（Gordon Moore）等8人,。

后來,，肖克利的事業(yè)再次因個(gè)人原因走入困境。于是,，1957年9月18日,，上面提到的8個(gè)年輕人，一起向肖克利提交辭呈,。肖克利大發(fā)雷霆,，痛斥這幫“忘恩負(fù)義”的年輕人,，罵他們是“八叛徒”（traitorous eight）。

“八叛徒”出走后,，共同成立了仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）,。

仙童半導(dǎo)體在科技史上擁有舉足輕重的地位。它是世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的搖籃,，也被譽(yù)為芯片界的黃埔軍校,。

1959年，德州儀器的杰克·基爾比（Jack St. Clair Kilby）和仙童半導(dǎo)體的羅伯特·諾伊斯,，先后發(fā)明了基于鍺基底擴(kuò)散工藝和硅基底平面工藝的集成電路,，打開了集成電路時(shí)代的大門。

1959年之后的計(jì)算機(jī),，大量采用了晶體管和集成電路,。計(jì)算機(jī)的算力不斷增強(qiáng)，體積和功耗反而不斷減小,。

軟件產(chǎn)業(yè)的萌芽

計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)準(zhǔn)備騰飛的同時(shí),，計(jì)算機(jī)軟件也開始萌芽了。

包括ENIAC在內(nèi)的早期計(jì)算機(jī),，沒有操作系統(tǒng)的概念,，都是操作員進(jìn)行手工操作。

后來,，進(jìn)入1950年代,，為了提升操作效率，開發(fā)了批處理系統(tǒng),。

到了1960年代,，處理器的速度越來越快，需要執(zhí)行的任務(wù)越來越多,。于是,，“多道程序系統(tǒng)”出現(xiàn)了?！岸嗟莱绦蛳到y(tǒng)”,，采用了通道和中斷技術(shù)，允許系統(tǒng)執(zhí)行“掛起”操作,。計(jì)算機(jī)從串行變成了并行,，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，提升了效率,。

“多道程序系統(tǒng)”,，基本上已經(jīng)接近于真正的操作系統(tǒng)了。

除了操作系統(tǒng)之外,，計(jì)算機(jī)語言也有了突破,。

1957年,，IBM公司成功開發(fā)了FORTRAN高級(jí)語言。它是世界上第一個(gè)被正式采用并流傳至今的高級(jí)編程語言,。

所謂高級(jí)語言,，就是一種接近于人們使用習(xí)慣的程序設(shè)計(jì)語言。它容易學(xué)習(xí),，通用性強(qiáng),，寫出的程序比較短，便于推廣和交流,。

1960年4月,，COBOL語言正式發(fā)布。1964年,，BASIC語言發(fā)布。高級(jí)語言的不斷涌現(xiàn),，為后面的軟件產(chǎn)業(yè)爆發(fā)奠定了基礎(chǔ),。

IBM System/360

1960年代，IBM是世界計(jì)算機(jī)行業(yè)毫無疑問的“領(lǐng)頭羊”,。在計(jì)算機(jī)市場(chǎng),，他們占據(jù)絕對(duì)的市場(chǎng)領(lǐng)先地位（在北美市場(chǎng)，市占率超過三分之二）,。

1961年12月,，IBM公司啟動(dòng)了一項(xiàng)人類史上規(guī)模最大的商用產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃耗資50億美元（約今日的460億美元）,、雇用6萬多名新員工,、新建5座工廠。

1964年4月7日,，計(jì)劃成果初現(xiàn),，IBM公司正式發(fā)布了六種規(guī)格的System/360商用大型主機(jī)。

360,，是360度角的意思,，表示全方位的服務(wù)。它是世界上首個(gè)指令集可兼容計(jì)算機(jī),。單個(gè)操作系統(tǒng)可以適用整個(gè)系列,，而不需要像之前的計(jì)算機(jī)一樣，每種主機(jī)量身定做操作系統(tǒng),。

這時(shí),，人們才明白，原來電腦主體硬件升級(jí)之后,，操作系統(tǒng),、應(yīng)用軟件還有外圍硬件,，都是可以繼續(xù)使用的?！凹嫒荨钡母拍?，開始形成了。

IBM System/360是IBM史上最成功的機(jī)型,，雖然研發(fā)投入巨大,，但回報(bào)同樣可觀——每臺(tái)主機(jī)的價(jià)格在250萬到300萬美元之間（約合現(xiàn)在的2000萬美元），每月售出超過千臺(tái),。

藍(lán)色巨人年銷售額的一半,，都來自于這個(gè)系列。美國(guó)太空總署的阿波羅登月計(jì)劃,，全美的銀行跨行交易系統(tǒng),，以及航空業(yè)界最大的在線票務(wù)系統(tǒng)等，都使用了IBM System/360,。

值得一提的是,，雖然IBM霸占了大型機(jī)市場(chǎng)，但60年代初,，很多IT公司創(chuàng)立,，他們轉(zhuǎn)向了IBM不太在乎的小型化計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，并取得了不錯(cuò)的成果,。

例如,，DEC公司（1957年成立）以及他們發(fā)布的PDP-8、PDP-11,、VAX-11系列主機(jī),。這些主機(jī)體積小、功耗低,、運(yùn)算速度也不算差（每秒幾十萬次基本運(yùn)算）,，獲得了很多用戶的歡迎。