計算機發展簡史_風聞

20世紀對人類影響最大的事件莫過於計算機的發明和應用，它將人類從機械時代帶入到信息時代。

1946年研製成功的ENIAC是第一台電子計算機，它的研製成功帶來了計算工具的革命，並開創了一個新的時代——計算機時代。

ENIAC是第一台電子計算機，但它並不是人類發明的第一台計算機。

在ENIAC之前，人類研製了機電計算機；在ENIAC之後計算機技術繼續快速進步，特別是在集成電路技術的推動之下性能有千萬倍的提高，並廣泛滲入到我們的工作和生活之中。

時至今日，計算機已經成為我們日常工作和生活中離不開的工具，今天的計算機已經和ENIAC千差萬別。

瞭解計算機是如何從早期的雛形發展至ENIAC，再逐步演化到今天的模樣，對我們理解一個產業領域的技術演進過程十分有幫助。

我們在上一篇文章中講述了計算機發明前的工具，在這篇文章中我們將詳細講述計算機是如何從早期的雛形發展至ENIAC，再逐步演化到今天的模樣。

繼電器計算機——代表：哈佛****Mark I

計算機本質上是人類發明的一種工具，用於幫助人類進行信息處理和數值計算。

在機械時代（計算機發明前的工具），這些功能的實現是通過槓桿、滑輪、軸等一系列機械零件完成的；到了電氣時代，則是通過電路來完成這些任務的。

繼電器是電與機械相結合的器件，按電磁原理工作且有“開”和“關”兩個狀態，因此很適合作為計算電路中的器件。

繼電器計算機是人類進入電氣時代後發明的第一款計算機，它兼具機械和電氣的特徵，是現代計算機最早的雛形。

繼電器計算機的代表是美國哈佛大學計算機實驗室的艾肯設計和研製的Mark計算機。艾肯是Mark計算機項目的發起人和結構師，計算機的製造是IBM完成的。

1943年，Mark I在IBM完成了製造和調試。

1944年，IBM公司的總裁沃森把計算機作為禮品贈送給哈佛，它正式被命名為IBM 自動順序控制計算器，但這台計算機更廣為人知的名稱是Harvard Mark I。

Mark I十分龐大，長51英尺，高8英尺。

這台機器內部總共裝有75萬個各種器件，其中大多數是二進制開關、十進制開關、繼電器以及各種轉輪和凸輪等，內部用於連接部件的信號線和電源線超過五百英里。

開發和建造這樣一台機器的花費十分龐大，據估計IBM製造Mark I 的費用約在40萬美元到50萬美元之間。

在機械計算器時代，進行計算的動力來自操作人員，數字計算是通過槓桿、滑輪、軸等一系列機械零件完成的。

在繼電器計算機時代，計算機運行的動力是電力，數字計算和信息處理是通過繼電器組成的電路完成的。相比純機械時代，繼電器計算機不僅運算速度更快，而且功能更加強大。

**電子管計算機——**ENIAC

1906年，美國工程師德福雷斯特發明了具有信號放大功能的三極真空電子管，這具有劃時代的意義併為電子管計算機的誕生奠定了基礎。

繼電器是電與機械相結合的器件，而真空電子管則是徹底的電子器件，在電路中用電子管取代繼電器可以使計算機的性能獲得數量級的提升。

二戰時期對新武器的研發催生了對計算速度的迫切需求，但已有的基於機械和機電的計算器遠遠不能滿足科學家們對計算速度的要求。基於電子管的電子數字電路其速度遠超繼電器電路，因此採用電子管來建造計算機器是發展的必然。

美國的阿納索夫教授和他的學生貝利在1940年到1942年期間研製了世界上第一台電子管數字計算器，但這台機器很簡單，能力非常有限。

ENIAC（電子數字積分器和計算機）則是世界上第一台能運行的電子數字計算機，它是由賓夕法尼亞大學摩爾電氣工程學院的莫奇利和埃克特設計和研製的。

1942年8月，莫奇利寫了一篇《關於高速電子管用於計算》的備忘錄，提出了研製一台電子計算機的建議。這台機器能在100秒鐘完成一台微分分析儀需要10~20分鐘的計算。

在埃克特的幫助下，莫奇利從1943年開始ENIAC的設計，1945年完成了ENIAC的製造。

ENIAC的建造共用了18000個電子管、70000個電阻、10000個電容，1000個繼電器和6000個開關。

整台機器高8英尺，寬3英尺，長100英尺，重量近30噸，耗電量當於140千瓦，最後的花費高達48.7萬美元。

ENIAC的加法運算速度為每秒5000次，乘法為每秒300多次，存儲容量只有20個字。雖然它是一個龐然大物，程序指令靠外部接插線實現，使用起來既費力又費時，但是它的研製成功激起了計算工具的革命，開創了一個新的時代即計算機時代。

1946年2月16日，在摩爾學院舉行了慶祝典禮，報道ENIAC的新聞短片在美國全國放映並得到了空前的報導效果，最有新聞價值的是一秒鐘能完成5000次操作的能力，這比Harvard Mark I快千倍。

當莫奇利設計ENIAC時還沒有內部存儲程序的想法，ENIAC改變計算程序需要通過重新連接線路來實現的，這通常需要花幾個小時甚至幾天時間。

馮.諾依曼知道了正在研製的ENIAC，他訪問了摩爾學院並與埃克特和莫奇利多次交流關於計算機的情況。

馮.諾依曼和摩爾電氣工程學院的莫奇利、埃克特及其小組其他成員對計算機進行了深入的探討，逐漸使“存儲程序”的概念成熟了，其中馮·諾依曼發揮了積極的作用。這種能將程序指令存儲在機器內部存儲器中從而實現自動控制的機器為今天所有計算機的結構奠定了基礎。

此後計算機的基本結構維持不變，那就是20世紀40年代由埃克特、莫奇利和馮.諾依曼共同討論的存儲程序思想，即馮.諾依曼體系結構。

晶體管計算機

計算機存儲程序結構的確定以及磁芯存儲器的研製成功，使計算機真正成為能自動運行的機器，研製存儲程序電子管計算機的熱潮開始興起並誕生了一批計算機企業。

雖然電子管計算機的性能比繼電器計算機有了數量級的提高，但電子管的諸多內在缺點嚴重製約了電子管計算機的應用和推廣。

電子管的主要缺點是可靠性低、功耗高、體積大、堅固性差，這極大限制了電子管計算機的發展。與此同時各個領域、各個行業對電子計算機的需求日益增長，迫切要求有可靠性高、性能更強的電子計算機。

20世紀40年代肖克利與他人合作發明了晶體管，人們自然想到採用半導體晶體管作為計算機的核心器件。

到20世紀50年代中期，半導體晶體管的生產工藝已達到了可提供用於批量生產民用晶體管通用計算機的水平。從此晶體管很快代替了真空電子管，在60年代就以晶體管計算機為主了，進入第二代電子計算機即晶體管計算機時期。

1955年，貝爾實驗室為美國空軍研製了全晶體管數字計算機TRADIC，它是第一台沒有電子管，而全部採用晶體管和二極管的機器，功耗100W，體積為3立方英尺。

整台機器包含700個點接觸型晶體三極管和10000個晶體二極管，具有功耗低、重量輕、體積小的特點，特別適合於在飛機上使用。

這台計算機連續運行兩年，晶體管器件總共只有17個失效，其失效率比起電子管機器要低很多，表明高可靠性又是晶體管計算機的一個特點。

1959年生產的新型號計算機大多數是晶體管計算機，很大一部分型號是將原有電子管計算機晶體管化，即計算機的結構沒有什麼變化，只是將電子管用晶體管替換。

由於組成電子計算機的基本電子器件改變了，計算機的生產工藝和組裝技術也隨之有所變化，但並沒有立刻影響到計算機的體系結構及其組成。

隨着晶體管電子技術的發展，IBM公司對早先的700計算機系列進行了重新設計，將原來的電子管計算機700系列較快地發展為晶體管計算機7000系列，在電子計算機市場的競爭中取得新技術的優勢。

晶體管計算機不僅可靠性更高，運輸速度也進一步提高，例如IBM 7090的運算速度比709機快6倍：在執行科學計算時，7090型晶體管機的有效速度比709電子管機快52.1倍，而在進行商業計算時，則提高了4.4倍。

IBM 709的加法時間為24μs，而IBM 7090為4.4μs。

集成電路計算機

電子計算機用電路來實現信息處理和數字計算的功能，電路是電子計算機的核心，而真空電子管和晶體管只是組成電路的核心元器件。

雖然晶體管相比電子管在使用壽命、功耗、結構穩定性方面都有顯著的提升，但用晶體管構成電路的體積和功耗仍然較大，不利於計算機的小型化。

隨着集成電路的發明，計算機才終於進化到我們今天熟知的模樣。

集成電路簡單來説就是將包含晶體管、電阻、電容等多種元件的電路集成到一塊硅片上。

它是以半導體晶體材料，經平面工藝加工製造，將電路的元件、器件和互聯線集成在基片內部、表面或基片之上的微小型化電路或系統。

微小型化電路在結構上比最緊湊的分立元件電路的體積小几個數量級、重量輕幾個數量級、可靠性高很多。

1958年美國德州儀器公司的基爾比用半導體料來製作包括晶體管、電阻、電容在內的並互聯成的完整的電路，發明了第一個半導體集成電路。

同期仙童公司的諾伊斯發明了用平面工藝製作硅集成電路的技術，現代信息技術產業最重要的集成電路技術至此誕生。

集成電路技術不僅實現了電路的微小型化，而且還擁有巨大的進步空間——即存在摩爾定律：集成電路的集成度每兩年翻一番，同樣集成度的芯片的價格每兩年要下降一半。

幾十年來，半導體技術一直按照這個規律發展着。這促進了計算機和其他數字設備及它們的應用迅速發展，使生產成本持續下降，功能與性能卻日益增長，創新步伐不斷向前。

第一台試驗性的集成電路計算機由德克薩斯公司與美空軍合作於1961年製成，到1966年美國生產的新型通用計算機大多數使用集成工藝。

1966年，IBM公司推出360系統中第一個集成電路計算機——44型機。

隨着集成電路技術的進一步發展，英特爾公司在1971年成功研製了4004微處理器，標誌着單芯片微處理器的誕生。

4004微處理器在3mmx4mm芯片上集成了2300個晶體管，這是20世紀70年代硅半導體技術所取得的突破性進展，在計算機技術發展史上是一次革命。

微處理器的出現和發展將計算機帶入到PC時代，計算機不再是少數大型機構和企業才能擁有的工具，而是成為人人都可以擁有的工具。

美國在計算機技術發展史上獨一無二的地位

計算機技術的發展是與其它領域科學技術的發展相輔相成的。

沒有真空電子管，就不會有電子管計算機；沒有半導體的發展，就不會有晶體管計算機；沒有半導體集成電路技術的發展，就沒有今天高性能微處理器心片。

計算機技術的發展離不開其它科學技術的支持，而計算機技術的進步也大力推動了其他領域科學技術的發展。

在計算機技術的發展史上，美國不僅僅是絕對的主角，而且幾乎是舞台上唯一的演員。

在早期計算機的誕生和發展過程中，各階段有代表性的計算機都是美國設計和製造的；在計算機技術的發展過程中，做出重要貢獻的科學家幾乎全部來自美國。

從20世紀40年代到90年代計算機技術的高速發展過程中，全世界所有國家包括西歐、日本、蘇聯等國家為何沒能在計算機技術上與美國做出等量的貢獻，為何計算機產業至今仍然牢牢掌握在美國手中？

美國在計算機以及半導體技術上獨有的壟斷優勢，是多方面因素共同作用的結果，是美國獲得了獨特的戰略機遇期，在未來很難再有同樣的機遇！

第一是技術機遇。

經過機械時代的發展，數字計算和信息處理技術已經逐步成熟，利用電子技術製造計算機的基礎已經建好。

第二是需求機遇。

二戰時原子彈和雷達等先進武器的研製帶來了龐大的計算需求，促使美國的科研機構研製計算機，計算機早期的雛形基本也是誕生在美國國防研究支持的機構中。

二戰後經濟的恢復和發展帶來了大量的信息處理需求，這些都需要更好的信息處理工具。

第三是國際政治格局和經濟格局機遇。

二戰後，美國是全球唯一的超級經濟大國，是唯一有經濟能力研發計算機的國家。

以蘇聯為首的社會主義陣營雖然在軍事和政治上與美國為首的西方陣營針鋒相對，但是在經濟規模上完全無法與西方陣營相比。

在西方陣營內部，歐洲和日本的經濟毀於二戰戰火，此時尚仰仗美國支援恢復原有的產業，在新技術發展領域完全無力與美國競爭。

美國在半導體產業上的領先既有歷史機遇，也有技術因素，這個技術因素就是摩爾定律。

從最初的繼電器計算機，再到電子管計算機、晶體管計算機，直到集成電路計算機，計算機技術在發展過程中經歷了多次革命性的變化。

但是從50年代至今，計算機技術一直在集成電路領域發展，而集成電路的技術進步遵循的是摩爾定律。

摩爾定律的生效在客觀上有助於維持美國在半導體產業上的領先優勢，因為技術的快速迭代加大了後發者的追趕難度，使得中國在半導體產業上的追趕與鋼鐵電力等傳統產業的技術追趕截然不同。

但是集成電路從誕生至今經過將近80年的發展已經接近物理極限，摩爾定律正逐步失效，這給了中國這樣的後發追趕者更好的機會。

美國至今在計算機產業以及相關的半導體工業上擁有絕對的領先優勢！

PC產業中Wintel聯盟仍然處於主導地位，唯一打破Wintel聯盟壟斷的蘋果電腦也是美國企業。

在集成電路產業中，美國仍然牢牢掌握從半導體材料到半導體設備以及到最終的芯片等半導體產業的所有環節。

即使是三星電子、台積電、ASML這樣的非美國企業，也是建立在美國半導體產業的技術基礎之上的，是美國半導體產業的附庸。

基於美國在半導體產業上如此顯著的優勢，中國半導體產業的發展處處受到美國的限制並不奇怪。

我們既要看到美國在半導體產業上的壟斷優勢，對中國半導體產業突圍的艱鉅程度有清醒的認識；同時我們也不能失去信心，摩爾定律正在逐步失效，美國在半導體產業上的優勢正在逐步衰退，中國半導體產業的突圍的可能性不斷提高。

只要我們遵守技術和產業發展的規模，堅持自力更生，中國的半導體工業就一定能夠實現突破。

參考資料：

1、《計算機簡史》

2、《計算機技術發展史一》

3、《計算機技術發展史二》

4、《IBM：世界最大計算機公司發家史》

5、《三位一體：英特爾傳奇》

6、《硅谷百年》