时代的脚步：计算机的起源与发展

纵观人类历史最接近计算机的是算盘因为算盘需要人工操作所以算盘实际上被认为是计算器另一方面计算机通过遵循一系列称为软件的内置命令自动执行计算

在二十世纪技术的突破使我们今天看到的不断发展的计算机成为可能但是甚至在微处理器和超级计算机出现之前就有一些著名的科学家和发明家帮助为这种技术奠定了基础这种技术后来彻底改变了我们的生活

计算机执行处理器指令的通用语言起源于17世纪形式为二进制数字系统这个系统由德国哲学家和数学家哥特弗里德威廉莱布尼兹发明它是一种只用两位数字即零和数字1来表示十进制数的方法他的系统部分灵感来自于中国古典文本《易经》的哲学解释该书从光与暗男女二元性角度理解宇宙虽然在当时他的新编码系统没有实际用途但莱布尼兹相信有一天机器有可能使用这些二进制数的长字符串

1847英国数学家乔治布尔介绍了一种新设计的代数语言建立在莱布尼茨作品上他的布尔代数实际上是一个逻辑系统数学公式用来表示逻辑中的陈述同样重要的是它采用了二进制方法其中不同数学量之间的关系可以是真或假0或1虽然当时布尔代数没有明显的应用但另一位数学家查尔斯桑德斯皮尔斯花了几十年的时间对这个系统进行扩展最终在1886年发现可以用电子开关电路进行计算及时布尔逻辑将成为电子计算机设计的工具英国数学家查尔斯巴贝奇被誉为装配了第一台机械计算机至少从技术上讲他十九世纪初的机器以输入数字内存处理器和输出结果的方式为特色他称之为差异引擎的首次尝试是建造世界上第一台计算机但花费超过17000英镑开发后这项努力几乎被放弃了设计要求一台机器计算值并自动打印结果到一张表格上这是用手摇曲柄重四吨1842英国政府切断了巴贝奇的资助后这个项目最终被砍掉了

这迫使发明人转向另一个想法他称之为分析引擎一种更雄心勃勃的通用计算机器而不仅仅是算术虽然巴贝奇的设计不能贯穿并构建一个工作装置但他的设计基本上具有与20世纪开始使用的电子计算机相同的逻辑结构分析引擎例如集成内存一种形式的信息存储在所有的计算机中找到它还允许计算机执行一组偏离默认序列顺序的指令以及循环这些指令是连续重复执行的指令序列 尽管巴贝奇未能制造出一台功能齐全的计算机但他仍然坚定不移地坚持自己的想法在1847和1849之间他绘制了一个新的和改进的第二版本的差异引擎的设计这次它计算十进制数多达三十位数计算更快并且由于需要更少的部分而更简单不过英国政府并没有发现它值得投资最后巴贝奇在原型上取得的最大进步就是完成了他的第一个差分引擎的七分之一

在这个早期的计算时代有一些显著的成就1872年由苏格兰-爱尔兰数学家物理学家和工程师威廉汤姆逊爵士发明的潮汐预报机被认为是第一台现代模拟计算机四年后他的哥哥詹姆斯汤姆森提出了一个计算机的概念用来解决数学问题也就是微分方程他把他的装置称为积分机在以后的几年里它将作为称为差分分析仪的系统的基础1927年美国科学家范内瓦布什sh开始研制第一台这样命名的机器并在1931年的科学期刊上发表了他的新发明的描述直到二十世纪初演化计算不过是科学家涉足能够有效地执行各种计算各种用途的机械设计直到1936一个统一的理论对什么是通用计算机和它如何作用终于提出那一年英国数学家艾伦图灵发表的一篇论文称为论可计算数与申请判定问题概述了理论的装置称为图灵机可以进行各种数学计算的执行指令理论上机器将具有无限的内存读取数据写入结果和存储指令程序

计算机是一个抽象的概念它是一个德国工程师叫克兰德楚泽的人会去建造世界上第一台可编程计算机他的第一次尝试开发电子计算机Z1是一个二进制驱动计算机读取指令从穿孔35毫米电影问题是技术是不可靠的所以他随后与Z2一个类似的装置采用机电式继电器电路然而正是在他的第三个模型的装配中一切都汇集在一起Z3在1941推出速度更快更可靠并能够更好地执行复杂的计算但最大的不同是指令被存储在外部磁带允许它作为一个全面运作的程控系统也许最值得注意的是楚泽在孤立中做了很多工作他一直不知道Z3是图灵完备的或者换句话说能够解决任何可计算的数学问题至少在理论上他也不知道在世界其他地区同时发生的其他类似项目其中最值得注意的是IBM资助的哈佛大学马克I它于1944推出更有前途虽然是如大不列颠的1943计算原型巨像计算机电子系统的发展第一个全面运作的电子通用计算机是投入服务于宾夕法尼亚大学1946

在计算机项目中下一个重大的飞跃是计算技术约翰冯诺依曼匈牙利数学家曾征询计算机项目将奠定一个存储程序计算机基础在这一点上电脑的固定程序改变它们的功能操作比如说执行计算文字处理需要手动重新调整例如楚泽公司花了几天时间重新编程理想情况下图灵已经提出将程序存储在存储器中这将允许它被计算机修改冯诺依曼的概念1945起草了一份详细的存储程序的计算提供了一种可行的架构提供了他发表的论文将广泛流传在研究各种计算机设计的研究团队中1948年英国的一个小组引进了曼彻斯特小型实验机这是第一台运行基于冯诺伊曼结构的存储程序的计算机曼彻斯特机器被昵称为宝贝是一台实验计算机是曼彻斯特马克一世的前身电子数据计算机冯诺伊曼的报告最初是为电子数据计算机设计的直到1949年才完成

第一批现代计算机与今天消费者所使用的商业产品完全不同他们是精心设计的笨拙的装置经常占据整个房间的空间他们也吸了大量的能量臭名昭著的马车由于这些早期的计算机用笨重的真空管科学家希望能提高处理速度要么必须找到更大的房间或想出了一个替代方案幸运的是这项急需的突破已经在工程中进行了1947贝尔实验室的一组科学家开发了一种叫做点接触晶体管的新技术像真空管一样晶体管放大电流并可用作开关但更重要的是它们小得多（大约是药丸的大小）更可靠而且使用的功率大大降低共同发明人约翰巴丁沃尔特-布兰登和威廉肖克利最终会在1956获得诺贝尔物理学奖

虽然巴丁和布拉顿继续做研究工作肖克利搬到了进一步开发和商业化的晶体管技术在他新成立的公司的第一个员工是一个电气工程师名叫罗伯特诺伊斯谁最终分裂形成了他自己的公司飞兆半导体费尔柴尔德相机和仪器分当时诺伊斯正在为无缝结合的晶体管和其他元件到集成电路消除的过程中他们用手的方式拼凑在一起德克萨斯仪器公司的工程师杰克基尔比也有同样的想法最终申请了专利然而诺伊斯的设计将被广泛采用

其中集成电路最重要的影响在于为个人计算的新时代铺平道路随着时间的推移它开辟了可能性的运行过程–所有电路芯片上的邮票大小的数以百万计的动力本质上它使我们无处不在的手持设备比最早的计算机强大得多