【電子算力時代】

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

除了將電用于能源之外，19世紀的科學家，還開始探索電對信息存儲和傳遞的作用。1837年，電報的發(fā)明，就是一個重要的標志。

電報是將信息通過電脈沖的方式進行傳遞。在傳遞之前，還是要解決信息編碼問題。

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

后來，人類對電技術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，我們還有無線電報和廣播。所有這些，都為計算技術（信息技術）從機械化走向電子化作出了鋪墊。

1937-1946：電子計算機的誕生

機械時代的計算機，可以通過齒輪或者帶刻度的圓柱，進行數(shù)字的標記。到了電子時代，這樣做就不太合適了。電的特點是有（通電）和無（不通電），它比較適合的，顯然是二進制。

17世紀后半葉，德國數(shù)學家萊布尼茨（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)造出所有的實物。

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

他通過二進制，將算數(shù)和簡單的邏輯統(tǒng)一起來，通過使用與、或、非等邏輯運算符，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系的工具。

布爾代數(shù)為計算機的二進制、開關邏輯電路的設計鋪平了道路，并最終為現(xiàn)代計算機的發(fā)明奠定了數(shù)學基礎。

除了邏輯基礎之外，硬件當然也要跟上。

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

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

那一時期，信息存儲技術也有了很大進步。

1898年，丹麥工程師瓦蒂瑪·保爾森（Valdemar Poulsen）在自己的電報機中首次采用了磁線技術，使之成為人類第一個實用的磁聲記錄和再現(xiàn)設備。1928年，德國工程師弗里茨·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)明了磁鼓存儲器。

磁性存儲時代，正式開始了。

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

同樣是1937年，貝爾試驗室的喬治·斯蒂比茲（George Stibitz）展示了用繼電器表示二進制的裝置。盡管僅僅是個展示品，但卻是第一臺二進制電子計算機。

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

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

這臺計算機用于空氣動力學計算，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，美國愛荷華州立大學物理系副教授阿塔納索夫（John V.Atanasoff）和他的學生克利福德·貝瑞（Clifford Berry）設計制造了世界上第一臺電子計算機，名為"ABC"（Atanasoff-Berry Computer），也被稱為“珍妮機”。

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制格式的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的存儲，則是使用的再生電容磁鼓存儲器（Regenerative Capacitor Memory）。

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

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

Mark I長16米，重4.3噸，擁有75萬個零部件，使用了800公里長的電線，300萬個連接、3500個多極繼電器、2225個計數(shù)器。

它可以在一秒鐘內(nèi)進行3次加法或減法。乘法需要6秒，除法需要15.3秒，對數(shù)或三角函數(shù)需要超過1分鐘。當時，它被用來為美國海軍計算彈道火力表。

值得一提的是，第一個在Mark I上運行的程序是由馮·諾依曼（John von Neumann）于1944年3月29日牽頭開發(fā)的。當時，馮·諾依曼正在研究曼哈頓計劃，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的研究團隊中，有一位名叫格蕾絲·霍珀（Grace Hopper）的海軍預備役女軍官。“bug（現(xiàn)在經(jīng)常指代程序漏洞）”這個詞，就是她引入的。

1945年，Mark II在運行過程中，飛進了一只飛蛾，導致出現(xiàn)故障。霍珀消滅了飛蛾，解決了問題，成為第一個“調(diào)試（debug）”計算機的人。

終于，到了1946年2月14日，大名鼎鼎的ENIAC（埃尼阿克）誕生了。

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

之所以體積和功耗這么大，是因為它采用了17468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，約為手工計算的20萬倍。

ENIAC在人類計算機發(fā)展史上擁有重要地位，也有極高的知名度。至少我們的《計算機基礎理論》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稱為世界上第一臺數(shù)字式電子計算機，但這個說法其實是有爭議的。

前面提到的ABC，就是這個稱謂的有力爭奪者。ENIAC甚至稱不上第二。那一時期問世的數(shù)字電子計算機很多，嚴格來說，ENIAC只能排第11。

國外主流觀點認為，ENIAC的設計者盜竊了ABC的設計。1973年，美國法院也裁定，取消了ENIAC的專利，認定ENIAC專利是ABC的衍生品。

關于誰是第一，我們就不多討論了。反正，1945年左右，電子計算機誕生的浪潮，標志著人類算力正式進入了數(shù)字電子計算機時代。波瀾壯闊的信息技術革命，正式開啟。以計算機為中心的信息技術產(chǎn)業(yè)，也正式起步。

從這一刻起，人類的算力，進入了全新的階段。

1946-1949：信息革命的奠基

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

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

1944年，馮·諾依曼開始參與原子彈的研制。因為研制過程需要進行大量的計算，他就開始關注計算機相關的研究進展。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年又提出了一個新的方案——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，電子離散變量計算機）。

在馮·諾依曼撰寫的總結(jié)報告《關于EDVAC的報告草案》中，他詳細闡述了一種制造電子計算機和進行程序設計的新思路，并設計了由運算器、邏輯控制、存儲器、輸入和輸出設備組成的新型架構。

是的沒錯，這就是著名的馮·諾依曼架構。

直到現(xiàn)在，馮·諾依曼架構仍然是我們計算機的主流架構?；谶@個貢獻，馮·諾依曼也被世人譽為“現(xiàn)代計算機之父”。（他在數(shù)學和經(jīng)濟學領域的貢獻也很卓著，被稱為“博弈論之父”。）

第二件大事：信息論的提出

1948年，貝爾實驗室的克勞德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）出版了《通信的數(shù)學理論》。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)學表達式。

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“用于測量信息的單位”。

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

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

第三件大事：晶體管的發(fā)明

1947年，同樣是來自貝爾實驗室的威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain），共同發(fā)明了世界上第一個晶體管。

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

上面說的三件大事，是信息技術革命爆發(fā)的前提條件，對人類社會的進步造成了極其深遠的影響。

1950-1967：集成電路時代

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商用計算機系統(tǒng)——UNIVAC-1。

這套系統(tǒng)被美國人口普查部門用于人口普查，它還成功預測了1952年底的美國總統(tǒng)大選，一夜之間名聲大噪。

1952年，馮·諾依曼領導設計的EDVAC終于制造完成，開始運行。

相比ENIAC，EDVAC擁有獨立的存儲，是第一臺使用磁帶的計算機。當時，磁存儲已初露鋒芒，成為信息載體的新選擇。

晶體管的應用

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

1954年，世界上第一臺晶體管計算機TRADIC，在美國空軍投入使用（貝爾實驗室研制）。其運行功耗不超過100W，體積不超1立方米，相比當年的ENIAC有天壤之別。

1958年，美國的RCA公司造出了世界上第一臺全部使用晶體管的計算機——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算機——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，帶動了IBM計算機的市場份額激增，也給其它行業(yè)展示了計算機的巨大潛力。

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。

肖克利所帶領的團隊雖然合作發(fā)明了晶體管，但內(nèi)部關系并不好。主要原因，是因為肖克利這個人為人刻薄，很難相處。晶體管發(fā)明后，沒多久，團隊成員紛紛離開了他。

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

實驗室吸引了很多優(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)再次因個人原因走入困境。于是，1957年9月18日，上面提到的8個年輕人，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體（Fairchild Semiconductor）。

仙童半導體在科技史上擁有舉足輕重的地位。它是世界半導體產(chǎn)業(yè)的搖籃，也被譽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）和仙童半導體的羅伯特·諾伊斯，先后發(fā)明了基于鍺基底擴散工藝和硅基底平面工藝的集成電路，打開了集成電路時代的大門。

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

軟件產(chǎn)業(yè)的萌芽

計算機硬件技術準備騰飛的同時，計算機軟件也開始萌芽了。

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

后來，進入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，允許系統(tǒng)執(zhí)行“掛起”操作。計算機從串行變成了并行，可以同時運行多個任務，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，計算機語言也有了突破。

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

所謂高級語言，就是一種接近于人們使用習慣的程序設計語言。它容易學習，通用性強，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。

IBM System/360

1960年代，IBM是世界計算機行業(yè)毫無疑問的“領頭羊”。在計算機市場，他們占據(jù)絕對的市場領先地位（在北美市場，市占率超過三分之二）。

1961年12月，IBM公司啟動了一項人類史上規(guī)模最大的商用產(chǎn)品開發(fā)計劃。這項計劃耗資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。

360，是360度角的意思，表示全方位的服務。它是世界上首個指令集可兼容計算機。單個操作系統(tǒng)可以適用整個系列，而不需要像之前的計算機一樣，每種主機量身定做操作系統(tǒng)。

這時，人們才明白，原來電腦主體硬件升級之后，操作系統(tǒng)、應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史上最成功的機型，雖然研發(fā)投入巨大，但回報同樣可觀——每臺主機的價格在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。

藍色巨人年銷售額的一半，都來自于這個系列。美國太空總署的阿波羅登月計劃，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霸占了大型機市場，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算機市場，并取得了不錯的成果。

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。這些主機體積小、功耗低、運算速度也不算差（每秒幾十萬次基本運算），獲得了很多用戶的歡迎。