01_计算机发明史

在现代社会,计算机的应用十分广泛,人们已经离不开计算机了,那么计算机是如何一步一步被发明的呢?

古代计算方式

在古代社会,人类对于计算的需求比较少,一开始使用绳结计数。随着社会发展,物质增多,文明进步,人类需要更加复杂的计算方式,后来出现了算盘。算盘在中国使用了很长时间,在新中国建立之初,我国技术较为落后,很多工程中依旧使用算盘计算。近20年,电子设备逐渐普及,算盘才逐渐消失在了大众的视野中,但在很多影视作品中认可看到算盘的存在。算盘是依靠进制进行计算的,每列分别代表个位、十位、百位、千位、、、算盘还可以进行加减乘除的运算,现在会使用算盘的人已经越来越少了,十几年前的商店中,还可以看到老板使用算盘算账。

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算盘图片

在航海中,为了确认航行位置,还发明星盘,通过星盘确认维度,帮助人类更好的探索海洋。

星盘图片

以及各种复杂巧妙的设备,用于在各行各业中进行计算。
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机械计算方式

1613年,计算机(Computer)这个名词出现了。起初,计算机指的并不是机器,而是一类职业,就像服务员一样。他们的工作就是计算,跟我国古代的账房先生有点类似。直到19世纪,这类职业因为计算机器普及才逐渐消失。在17世纪,莱布尼茨就发明了机械式计算器——步进计算器(Stepped Reckoner),没错,就是和牛顿争夺微积分发明权的那位大佬,这个发明和他的其他成果相比简直不值一提,膜拜大佬,他发明这台计算机器的原因就是觉得人工计算太浪费时间了,额、、、计算原理和算盘有些类似,不过可以用于更加复杂的计算,内部是由齿轮等机械结构组成的。
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步进计算器图片

这种计算机器使用了几百年,但是它有一个弊端,计算时间太久了,进行一次复杂计算往往需要大半天。比如在打仗时,大炮为了击中目标,需要根据距离、风速等状况计算射击角度,总不能打仗时跟对方说等我计算好角度再开始吧。所以当时计算机器很难在现场应用,一般都是提前计算好,制作成表,查询使用。

后来,巴贝奇(Babbage)试图制作一种更为先进的计算机器用于替代这些表——分析机,由于是一种纯机械结构,所以结构复杂(包含25000个零件)且庞大,最后由于当时制造水平和资金的限制,在巴贝奇花费几十年后这项发明以失败告终。但是,现代计算机的原理和巴贝奇机器的原理十分接近,不过将机械结构换成了集成电路。1991年,人们根据他的图纸复原了这一伟大机器,并且能够正常工作。虽然由于思想超前未能完成制作,但是其思想给予后来者很大灵感,所以巴贝奇被称为“通用计算机之父”。

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分析机图片

19世纪末,何乐礼(Hollerith)发明了自动制表机用于人口普查,通过这种机器,极大地减少了普查时间和花费。至此,人们看到了计算机器的价值,何乐礼创建了列表机公司,后来和其他几家公司融合成立了IBM,至今仍是商业巨头。

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制表机图片

电子计算方式

机械结构的计算方式进行计算时耗时较长,无法满足计算需求的问题日益加深。1944年,马克一号诞生了,这是世界上第一台自动按序控制计算机,正是由上文提到的IBM公司制造。马克一号包含76万个零件,300万个连接件,500英里电线组成。

马克一号图片

马克一号是由机电系统控制的,内部包含很多继电器。其原理为:当给控制电线供电时,线圈产生磁场,吸附开关闭合,反之开关则断开。 但是其缺点是无法快速闭合断开(电生磁有一个延时),当时能够做到的速度约为一秒钟开关四十多次,导致计算较慢。同时由于继电器有磨损,导致其故障率较高。

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继电器原理图

1904年,真空管出现,在此基础上,1906年,真空管(三极)出现,增加一根电线控制真空管的通断,接通正极时,为通路,反之则为断路。至此,真空管可以替代继电器,磨损降低,同时开关频率也得到了较大的提高。

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真空管(三极)原理图

早期的真空管易碎,会像灯泡一样烧坏,同时体积也比较大。

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真空管图片

随着真空管的普及,机电计算方式逐步被电子计算方式所取代。第一次大规模使用真空管的计算机是巨像计算机,于1943年被建造完成,用于破译密码,这是第一台可编程电子计算机(两年前图灵使用机电结构机器做了同样的事情,并不是严格意义上的计算机,还有部电影讲述了这个故事《模仿游戏》)。1946年,世界上第一台通用可编程电子计算机问世(巨像计算机仅仅用于破译密码)——埃尼阿克。此时的计算机存在着体积大,真空管易烧坏的问题。

巨像计算机图片

埃尼阿克计算机图片

1947年,贝尔实验室发明了晶体管(三极管),一个新的时代到来了。晶体管没有易坏、体积大等缺点。

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晶体管图片

1957年,计算机IBM 608问世。这是第一台由晶体管组成,可以在市面上买到的计算机。从此,计算机快速发展,体积越来越小,计算越来越快,逐步进入家用领域。

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计算机IBM 608图片

晶体管和半导体的研发,大多发生于圣克拉拉谷,生产半导体的材料为硅,所以又被称为硅谷。

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