丰沃智慧：计算机发展简史（下）- 大数跨境

丰钰科技集团

2020-09-11

导读：阿达非常准确地评价道：“分析机‘编织’的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样”。于是，为分析机编制一批函

阿达非常准确地评价道：“分析机‘编织’的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样”。于是，为分析机编制一批函数计算程序的重担，落到她的肩头。阿达开天辟地第一回为计算机编出了程序，其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。阿达编制的这些程序，即使到了今天，电脑软件界的后辈仍然不敢轻易改动一条指令。

人们公认她是世界上第一位软件工程师。众所周知，美国国防部据说是花了250亿美元和10年的光阴，把它所需要软件的全部功能混合在一种计算机语言中，希望它能成为军方数千种电脑的标准。1981年，这种语言被正式命名为ADA语言，使阿达的英名流传至今。当然这些都是后话了。

在当时，两人为把分析机的图纸变成现实，耗尽了全部财产，搞得一贫如洗，在此期间，两人为筹措研究经费，两人还商量“下海创收”，比如制作国际象棋玩具、赛马游戏机等等。但这并没有带来什么改变，为此，阿达还两次把丈夫家中的祖传珍宝拿去当铺换钱，不过后来又被阿达的母亲赎了回来。在经历了贫困交加和无休止的脑力劳动，阿达的身体状况急剧恶化，1852年，年仅36岁的阿达怀着对分析机美好的梦想去世了。

阿达去世后，巴贝奇又默默的独自坚持了20年，晚年的他已经不能准确发音和有条理的表达自己的意思，但仍坚持工作。1871年巴贝奇去世。最终分析机没有被制造出来。巴贝奇和阿达设想的分析机超出了他们所处时代至少一个世纪。

1890年，德国侨民霍列瑞斯博士在美国做人口普查（上一次人口普查人工花了7年），人口普查需要做大量工作，如年龄、性别等用调查表做采集的项目，还要计算每个社区有多少老人、小孩，男人、女人等。霍列瑞斯博士就想用机器自动统计这些数据。几年后，他根据巴贝奇的发明和杰卡德的穿孔纸带设计了机器。结果花了6周就得出了准确的数据。

杰卡德和霍列瑞斯分别用开创了程序设计和数据处理之先河。以历史的目光审视他们的发明，正是这种程序设计和数据处理，构成了电脑“软件”的雏形。

1896年霍列瑞斯博士创办了IBM公司的前身。

到了现在，制造出来的计算机都是机械的，机械计算机向电子计算机发展的过渡时期发生的主要事件。

1906年，美国的德福雷斯特发明了电子管，为计算机的发展奠定了基础。

1907年，德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管(电子管)的发明专利。真空三极管可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极到屏极的电流完全导通，相当于开关开启；“截止”即从阴极到屏极没有电流流过，相当于开关关闭。其控制速度要比艾肯的继电器快成千上万倍。

1924年，IBM——一个有划时代意义的公司成立了。

1936年，美国青年霍德华•艾肯去哈佛共度物理学博士学位，由于博士论文设计设计空间电荷传导理论，需要计算非常复杂的非线性微分方程。艾肯想发明一种机器代替人工计算，幻想有一台计算机帮他解决数学难题。三年后，艾肯在图书馆里发现了巴贝奇和阿达的论文。博士毕业后，艾肯进入了美国海军军械局做了一名小小的海军中尉。为了实现计算机的梦想，他想到了IBM。

正好艾肯的一位老师正在IBM出资创办的“哥伦比亚大学统计局”里任职，艾肯从这位老师这里听说了IBM董事长沃森的大名。这位老师为艾肯写了一封推荐信。艾肯拿到推荐信后，准备好了一份可行性报告，就去找沃森。沃森听完了艾肯的话以后，直接给艾肯划了100万美元。

有了钱，艾肯开始了“MARK I”（马克1号）的研发。马克1号借助电流进行运算，最关键的部件采用继电器组成，马克1号上安装了大约3000个继电器。继电器接通电路表示“1”，继电器断开则表示“0”。继电器能在大约1/100秒内接通或断开电路。为马克1号编制计算程序的也是一位女数学家格雷斯•霍波（G.Hopper）。有一天，她在调试程序时出现了故障，拆开继电器后，发现有只飞蛾被夹扁在触点中间，从而“卡”住了机器的运行。

于是，霍波恢谐地把程序故障统称为“臭虫”（bug，现在表示电脑系统或程序中的一些缺陷或问题）。1944年2月，马克1号计算机在哈佛大学正式运行。从外表看，它的外壳用钢和玻璃制成，长约15米，高约2.4米，自重达到31.5吨，他可以每分钟进行200次以上的运算。可以作23位数加23位数的加法，一次仅需要0.3秒；而进行同样位数的乘法，则需要6秒多的时间。

马克1号被称为最后一台“史前”计算机——机械/电动方式。

时间向前一年，也就是1943年，此时正是二战时期，美国为了实验新式火炮，需要计算火炮的弹道表。需要进行大量计算。一张弹道表需要计算近4000条弹道，每条弹道需要计算750次乘法和更多的加减法，工作量巨大。

你可以想象这样一个场景：一发炮弹打出去，100多人用一种手摇计算机算个不停，还经常出错，费力不讨好。当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利（John Mauchly）于 1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”，期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。

美国军方得知这一设想后，拨款成立了一个以莫希利、埃克特（John Eckert）为首的研制小组。终于在1946年2月14日，世界上第二台电子计算机，世界上第一台通用计算机（多个行业都可以使用）埃历阿克”（ENIAC，译成中文是“电子数字积分和计算机”）诞生于美国宾夕法尼亚大学。

ENIAC长30.48米，宽6米，高2.4米，占地面积约170平方米，30个操作台，重达30英吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468根真空管（电子管），7,200根晶体二极管，1,500 个中转，70,000个电阻器，10,000个电容器，1500个继电器，6000多个开关。每秒能进行5000次加法运算（据测算，人最快的运算速度每秒仅 5次加法运算），每秒400次乘法运算，是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。它还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。

以我们的眼光来看，这当然很微不足道。但这在当时可是很了不起的成就！原来需要20多分钟时间才能计算出来的一条弹道，现在只要短短的30秒！

第一台电子计算机：

阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff–Berry Computer，通常简称ABC计算机）在1937年设计，不可编程，仅仅设计用于求解线性方程组，并在1942年成功进行了测试。然而，这台计算机用纸卡片读写器实现的中间结果存储机制是不可靠的。

而且，在发明者约翰•文森特•阿塔纳索夫因为二战任务而离开爱荷华州立大学之后，这台计算机的工作就没有继续进行下去。ABC计算机开创了现代计算机的重要元素，包括二进制算术和电子开关。但是因为缺乏通用性、可变性与存储程序的机制，将其与现代计算机区分开来。这台计算机在1990年被认定为IEEE里程碑之一。

阿塔纳索夫和克利福德•贝瑞的计算机工作直到1960年才被发现和广为人知，并且陷入了谁才是第一台计算机的冲突中。那时候，ENIAC普遍被认为是第一台现代意义上的计算机，但是在1973年，美国联邦地方法院注销了ENIAC的专利，并得出结论：ENIAC的发明者从阿塔纳索夫那里继承了电子数字计算机的主要构件思想。因此，ABC被认定为世界上第一台计算机。

埃历阿克虽然威力强大，但是它毕竟还很不完善，比如存在着耗电多、费用高的缺点。它的耗电量超过174千瓦，据说那些年，只要埃历阿克一开动，整个费城城市的所有灯光顿时黯然失色。

那些个电子管发光又发热，平均每隔7分钟要损坏一只。虽然当初只花了军械部40万元的研制费用，可谁能料到，维护它的费用后来竟超过200万之巨！埃历阿克最致命的缺点是程序与计算两分离。

指挥埃历阿克2万只电子管工作的程序指令，被存放在机器的外部电路里。需要计算某个题目前，埃克特必须分派几十员精兵强将，把数百条线路用手接通，像一群电话接线员那样手忙脚乱地忙活好几天，才能进行几分钟运算。

这时，冯•诺依曼用高超的理论和技术方法，一举攻克了巨大的难关。

在埃历阿克尚未投入运行前，冯•诺依曼就已开始着手起草一份新的设计报告，要对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”，英文缩写译音是“埃德瓦克”（EDVAC）。

1945年6月，冯•诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人，为埃德瓦克方案联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告，即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件（输入系统、输出系统、存储器、运算器、控制器），并用二进制替代十进制运算，大大方便了机器的电路设计。埃德瓦克方案的革命意义在于“存储程序”──程序也被当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动依次执行指令，再也不必去接通什么线路。

人们后来把根据这一方案思想设计的机器统称为“冯诺依曼机”。自冯•诺依曼设计的埃德瓦克始，直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止，电脑一代又一代的“传人”，大大小小千千万万台计算机，都没能够跳出诺依曼机的掌心。在这个意义上，冯•诺依曼是当之无愧的“电脑之父”。

自此，人类终于完成了现代计算机的体系结构和理论设计，为第五次信息技术革命打下坚实基础。

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