【电子算力时代】

第一次和第二次工业革命，分别是蒸汽革命和电气革命，属于能源和动力方面的变革。

除了将电用于能源之外，19世纪的科学家，还开始探索电对信息存储和传递的作用。1837年，电报的发明，就是一个重要的标志。

电报是将信息通过电脉冲的方式进行传递。在传递之前，还是要解决信息编码问题。

电报发明人塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse）在发明电报之前，先发明了摩斯码。摩斯码就是将字符转换成点dot（.）、划dash（-）两种符号的一种编码方式。电脉冲可以很好地传递这种编码。

后来，人类对电技术的驾驭能力越来越成熟，我们又有了电话。基于电磁理论的发展，我们还有无线电报和广播。所有这些，都为计算技术（信息技术）从机械化走向电子化作出了铺垫。

1937-1946：电子计算机的诞生

机械时代的计算机，可以通过齿轮或者带刻度的圆柱，进行数字的标记。到了电子时代，这样做就不太合适了。电的特点是有（通电）和无（不通电），它比较适合的，显然是二进制。

17世纪后半叶，德国数学家莱布尼茨（是的，又是他。他也是微积分的发明人）率先提出了二进制。他形象地用1表示上帝，用0表示虚无，上帝从虚无中创造出所有的实物。

19世纪中叶，英国数理逻辑学家乔治·布尔（George Boole）提出了逻辑代数（后来被人们称为“布尔代数”）。

他通过二进制，将算数和简单的逻辑统一起来，通过使用与、或、非等逻辑运算符，以及基于真和假的二值逻辑，为我们提供了一种理解和操纵逻辑关系的工具。

布尔代数为计算机的二进制、开关逻辑电路的设计铺平了道路，并最终为现代计算机的发明奠定了数学基础。

除了逻辑基础之外，硬件当然也要跟上。

1904年，英国人约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了真空电子二极管，可以实现单向导电，检波、整流。1906年，美国人德·福雷斯特（Lee De Forest）在二极管的基础上加以改进，发明了真空三级电子管，可以实现信号放大。

真空管的出现，推动人类电子技术向前迈了一大步，初步补足了硬件短板。

那一时期，信息存储技术也有了很大进步。

1898年，丹麦工程师瓦蒂玛·保尔森（Valdemar Poulsen）在自己的电报机中首次采用了磁线技术，使之成为人类第一个实用的磁声记录和再现设备。1928年，德国工程师弗里茨·普弗勒默（Fritz Pfleumer）发明了录音磁带。1932年，奥地利工程师古斯塔夫·陶谢克（Gustav Tauschek）发明了磁鼓存储器。

磁性存储时代，正式开始了。

1937年，英国剑桥大学的阿兰·图灵（Alan M. Turing）提出了被后人称之为“图灵机”的数学模型。这为现代计算机的逻辑工作方式指引了方向。

同样是1937年，贝尔试验室的乔治·斯蒂比兹（George Stibitz）展示了用继电器表示二进制的装置。尽管仅仅是个展示品，但却是第一台二进制电子计算机。

二战爆发后，军事需求大大刺激了算力的发展。军方需要更加强劲的算力，完成密码加密解密、火炮弹道计算甚至火箭发射等重要任务。

1941年12月，德国人康拉德·楚泽（Konrad Zuse）制作完成了世界上第一台可编程电子计算机——Z3。

这台计算机用于空气动力学计算，使用了大量的继电器和真空管，每秒钟能做3到4次加法运算，一次乘法需要3到5秒。（遗憾的是，Z3后来毁于柏林轰炸。）

1942年，美国爱荷华州立大学物理系副教授阿塔纳索夫（John V.Atanasoff）和他的学生克利福德·贝瑞（Clifford Berry）设计制造了世界上第一台电子计算机，名为"ABC"（Atanasoff-Berry Computer），也被称为“珍妮机”。

ABC使用了IBM的80列穿孔卡作为输入和输出，使用真空管处理二进制格式的数据。数据的存储，则是使用的再生电容磁鼓存储器（Regenerative Capacitor Memory）。

虽然ABC无法进行编程（仅用于求解线性方程组），但使用二进制数字来表示数据、使用电子元件进行计算（而非机械开关）、计算和内存分离等特点，都足以证明它是一台现代意义上的数字电子计算机。

1944年，在IBM公司的支持下，哈佛大学博士霍华德·艾肯 (Howard Aiken) 成功研制了通用电子计算机——Mark I，也称ASCC（Automatic Sequence Controlled Calculator，自动控制序列计算器）。

Mark I长16米，重4.3吨，拥有75万个零部件，使用了800公里长的电线，300万个连接、3500个多极继电器、2225个计数器。

它可以在一秒钟内进行3次加法或减法。乘法需要6秒，除法需要15.3秒，对数或三角函数需要超过1分钟。当时，它被用来为美国海军计算弹道火力表。

值得一提的是，第一个在Mark I上运行的程序是由冯·诺依曼（John von Neumann）于1944年3月29日牵头开发的。当时，冯·诺依曼正在研究曼哈顿计划，需要确定内爆是否是原子弹的可行选择。

还需要提一句，Mark I的研究团队中，有一位名叫格蕾丝·霍珀（Grace Hopper）的海军预备役女军官。“bug（现在经常指代程序漏洞）”这个词，就是她引入的。

1945年，Mark II在运行过程中，飞进了一只飞蛾，导致出现故障。霍珀消灭了飞蛾，解决了问题，成为第一个“调试（debug）”计算机的人。

终于，到了1946年2月14日，大名鼎鼎的ENIAC（埃尼阿克）诞生了。

ENIAC是一个真正的“庞然大物”。它占地170平方米，重达30吨，功率超过150千瓦。

之所以体积和功耗这么大，是因为它采用了17468根真空管。这些真空管，使其可以每秒完成5000次加法或400次乘法，约为手工计算的20万倍。

ENIAC在人类计算机发展史上拥有重要地位，也有极高的知名度。至少我们的《计算机基础理论》课本上，肯定有它的名字。

这里需要澄清一下，虽然人们一贯将ENIAC称为世界上第一台数字式电子计算机，但这个说法其实是有争议的。

前面提到的ABC，就是这个称谓的有力争夺者。ENIAC甚至称不上第二。那一时期问世的数字电子计算机很多，严格来说，ENIAC只能排第11。

国外主流观点认为，ENIAC的设计者盗窃了ABC的设计。1973年，美国法院也裁定，取消了ENIAC的专利，认定ENIAC专利是ABC的衍生品。

关于谁是第一，我们就不多讨论了。反正，1945年左右，电子计算机诞生的浪潮，标志着人类算力正式进入了数字电子计算机时代。波澜壮阔的信息技术革命，正式开启。以计算机为中心的信息技术产业，也正式起步。

从这一刻起，人类的算力，进入了全新的阶段。

1946-1949：信息革命的奠基

1945年至1948年，除了ENIAC诞生外，科技领域还发生了好几件大事。
第一件大事：冯·诺依曼架构的提出

冯·诺依曼（John Von Neumann）是美籍匈牙利人，1903年出生，1930年移民美国，成为普林斯顿大学的教授。

1944年，冯·诺依曼开始参与原子弹的研制。因为研制过程需要进行大量的计算，他就开始关注计算机相关的研究进展。经人引荐，他作为顾问，参与到了ENIAC的研究中。

基于ENIAC的研究，冯·诺依曼等人在1945年又提出了一个新的方案——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量计算机）。

在冯·诺依曼撰写的总结报告《关于EDVAC的报告草案》中，他详细阐述了一种制造电子计算机和进行程序设计的新思路，并设计了由运算器、逻辑控制、存储器、输入和输出设备组成的新型架构。

是的没错，这就是著名的冯·诺依曼架构。

直到现在，冯·诺依曼架构仍然是我们计算机的主流架构。基于这个贡献，冯·诺依曼也被世人誉为“现代计算机之父”。（他在数学和经济学领域的贡献也很卓著，被称为“博弈论之父”。）

第二件大事：信息论的提出

1948年，贝尔实验室的克劳德·香农（Claude Elwood Shannon）出版了《通信的数学理论》。这本书被看作是信息论的奠基之作。

香农给出了通信系统的基本模型，提出了信息熵的概念以及数学表达式。

他指出，信息是可以被量化的，用数字编码可以代表任何类型的信息。香农还推出了比特（bit）的概念，将其称为“用于测量信息的单位”。

香农提出的香农公式，更是指导了整个通信行业发展，直到现在也没有被突破。

简单来说，香农的信息论，为信息技术奠定了真正的理论基础。他是当之无愧的现代信息通信技术“祖师爷”。

第三件大事：晶体管的发明

1947年，同样是来自贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain），共同发明了世界上第一个晶体管。

晶体管的问世，为电路的小型化打下了基础，也为集成电路以及芯片的出现创造了前提。它开辟了电子时代的全新纪元。

上面说的三件大事，是信息技术革命爆发的前提条件，对人类社会的进步造成了极其深远的影响。

1950-1967：集成电路时代

1951年，发明了ENIAC的约翰·埃克特（J. Presper Eckert）和约翰·莫奇利（John Mauchly）再度合作，研制了世界上第一台商用计算机系统——UNIVAC-1。

这套系统被美国人口普查部门用于人口普查，它还成功预测了1952年底的美国总统大选，一夜之间名声大噪。

1952年，冯·诺依曼领导设计的EDVAC终于制造完成，开始运行。

相比ENIAC，EDVAC拥有独立的存储，是第一台使用磁带的计算机。当时，磁存储已初露锋芒，成为信息载体的新选择。

晶体管的应用

再后来，晶体管技术开始逐渐成熟，进入市场。相比真空管（电子管），晶体管的体积更小，功耗更低，使得电子设备变得更加小巧、省电。

1954年，世界上第一台晶体管计算机TRADIC，在美国空军投入使用（贝尔实验室研制）。其运行功耗不超过100W，体积不超1立方米，相比当年的ENIAC有天壤之别。

1958年，美国的RCA公司造出了世界上第一台全部使用晶体管的计算机——RCA501。

不久后，1959年，IBM公司不甘落后，也生产出全部晶体管化的计算机——IBM 7090。

基于IBM 7090，美洲航空公司和IBM共同研发了世界上第一款订票系统——Sabre。Sabre迅速普及，带动了IBM计算机的市场份额激增，也给其它行业展示了计算机的巨大潜力。

集成电路的诞生

说到这里，我们要回过头，讲讲发明了晶体管的威廉·肖克利。

肖克利所带领的团队虽然合作发明了晶体管，但内部关系并不好。主要原因，是因为肖克利这个人为人刻薄，很难相处。晶体管发明后，没多久，团队成员纷纷离开了他。

1954年，肖克利在贝尔实验室也待不下去了，就跑去教书。再后来，1956年，他来到美国西部加利福尼亚州的山景城，在一个名叫Palo Alto的小城市（后来是硅谷的一部分），成立了“肖克利半导体实验室”。

实验室吸引了很多优秀年轻人的加入。其中就包括罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）和戈登·摩尔（Gordon Moore）等8人。

后来，肖克利的事业再次因个人原因走入困境。于是，1957年9月18日，上面提到的8个年轻人，一起向肖克利提交辞呈。肖克利大发雷霆，痛斥这帮“忘恩负义”的年轻人，骂他们是“八叛徒”（traitorous eight）。

“八叛徒”出走后，共同成立了仙童半导体（Fairchild Semiconductor）。

仙童半导体在科技史上拥有举足轻重的地位。它是世界半导体产业的摇篮，也被誉为芯片界的黄埔军校。

1959年，德州仪器的杰克·基尔比（Jack St. Clair Kilby）和仙童半导体的罗伯特·诺伊斯，先后发明了基于锗基底扩散工艺和硅基底平面工艺的集成电路，打开了集成电路时代的大门。

1959年之后的计算机，大量采用了晶体管和集成电路。计算机的算力不断增强，体积和功耗反而不断减小。

软件产业的萌芽

计算机硬件技术准备腾飞的同时，计算机软件也开始萌芽了。

包括ENIAC在内的早期计算机，没有操作系统的概念，都是操作员进行手工操作。

后来，进入1950年代，为了提升操作效率，开发了批处理系统。

到了1960年代，处理器的速度越来越快，需要执行的任务越来越多。于是，“多道程序系统”出现了。“多道程序系统”，采用了通道和中断技术，允许系统执行“挂起”操作。计算机从串行变成了并行，可以同时运行多个任务，提升了效率。

“多道程序系统”，基本上已经接近于真正的操作系统了。

除了操作系统之外，计算机语言也有了突破。

1957年，IBM公司成功开发了FORTRAN高级语言。它是世界上第一个被正式采用并流传至今的高级编程语言。

所谓高级语言，就是一种接近于人们使用习惯的程序设计语言。它容易学习，通用性强，写出的程序比较短，便于推广和交流。

1960年4月，COBOL语言正式发布。1964年，BASIC语言发布。高级语言的不断涌现，为后面的软件产业爆发奠定了基础。

IBM System/360

1960年代，IBM是世界计算机行业毫无疑问的“领头羊”。在计算机市场，他们占据绝对的市场领先地位（在北美市场，市占率超过三分之二）。

1961年12月，IBM公司启动了一项人类史上规模最大的商用产品开发计划。这项计划耗资50亿美元（约今日的460亿美元）、雇用6万多名新员工、新建5座工厂。

1964年4月7日，计划成果初现，IBM公司正式发布了六种规格的System/360商用大型主机。

360，是360度角的意思，表示全方位的服务。它是世界上首个指令集可兼容计算机。单个操作系统可以适用整个系列，而不需要像之前的计算机一样，每种主机量身定做操作系统。

这时，人们才明白，原来电脑主体硬件升级之后，操作系统、应用软件还有外围硬件，都是可以继续使用的。“兼容”的概念，开始形成了。

IBM System/360是IBM史上最成功的机型，虽然研发投入巨大，但回报同样可观——每台主机的价格在250万到300万美元之间（约合现在的2000万美元），每月售出超过千台。

蓝色巨人年销售额的一半，都来自于这个系列。美国太空总署的阿波罗登月计划，全美的银行跨行交易系统，以及航空业界最大的在线票务系统等，都使用了IBM System/360。

值得一提的是，虽然IBM霸占了大型机市场，但60年代初，很多IT公司创立，他们转向了IBM不太在乎的小型化计算机市场，并取得了不错的成果。

例如，DEC公司（1957年成立）以及他们发布的PDP-8、PDP-11、VAX-11系列主机。这些主机体积小、功耗低、运算速度也不算差（每秒几十万次基本运算），获得了很多用户的欢迎。