为了战争发明的计算机,却改变了人类进程

到底是谁发明了第一台计算机,至今仍在争论……

提到人类的第一台电子计算机,一般都会提到1945年的“ENIAC”。它是由美国宾夕法尼亚大学的莫尔电工学院的莫奇利和埃克特两位教授发明的。虽然对于它的“第一”称号,历史上一直充满着争议,但是,它的的确确对人类社会产生深刻的影响。

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我们这里说的是现代的电子计算机,俗称电脑。在电脑发明之前,人类为了节省脑力,也曾发明过许多构思巧妙的计算工具。

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中式算盘

首先是中国的算盘。

中国算盘的雏型是汉代的筹算。到宋朝时,算盘采用上一珠、下四珠的形式,上一珠当五。明代后期开始出现上二珠、下五珠的形式,可适应十六进制、十二进制、十进制等数进制计算。另外,算盘不仅在东亚地区广泛使用,在古罗马、俄罗斯、印加帝国也曾出现过用类似的计算工具。

其次是西方发明的乘法计算机。

1617年,苏格兰数学家约翰·纳皮尔发明了“纳皮尔的骨头”。1620年到1630年之间,人类又不断改进,发明了滑尺,将繁琐的数值改成直观的刻度。这种更为方便的计算工具,成为那个时代科学家和工程师身份的象征。

1642年,未满19岁的帕斯卡在滑尺的基础上,发明帕斯卡计算器。据说,他当时的初衷是为了给税务局长父亲减轻计算负担。后来他成为法国数学家、物理学家。在此基础上,德国的莱布尼兹于1672年到1694年之间发明了一种“步进计算器”,采用独创的“莱布尼兹轮”,除了普通的乘除法,它还能计算结果在10的16次方以内的乘除法。这直接影响到接下来欧洲机械计算机的研发。

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步进计算器

再次是1820年在法国诞生的“四则计算器”。

它是第一款商业化的办公计算器,也是一款机械的台式计算器。之后,手摇式机械计算器在十九世纪70年代广为流行,它用三套齿轮进行互相撩拨,可以胜任9位数的加减乘除四则运算。

1884年,美国人设计了电控“穿孔卡片”机械式计数器。后来,人类发明了键盘代替手摇进行录入。20世纪中叶,美国又出现了电池带动马达的机械计算器,只要录入算式按下等号即可,和如今的计算器已大同小异。

以上这些计算器的出现,为后来计算机的运算设计奠定了基础。

此外,随着十九世纪末热电子三极管的发明,一战之后的20世纪30-40年代,电子技术的发展更加快速,雷达、电信、电视相继问世,电子电路和电子器材、元件的技术和理论都达到了很高的水平。

那么,计算机又是如何诞生的呢?

正如很多发明都是军事和战争推动加速的结果,电子计算机ENIAC也是如此。

二战期间,美军几种新型大炮的研制都需要计算几百条弹道组成“火力表”,弹道计算成为必须攻克的难题。美国宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特提出了研制高速电子计算机的方案,并受到军方重视。1943年4月组织了研制小组,制定研制ENIAC的绝密计划。

然而经费耗费大大超出了预算,就拿电子管来说,原计划5000个,而实际上用掉了18000个,消耗经费也高达40万美元。更重要的是,研发时间也远超计划,1945年11月ENIAC才缓缓地投入试运行,并没有赶在二战前完成。

就在军方打算撤资之际,计算机之父冯诺依曼将ENIAC用于了氢弹的研制。到退役为止,ENIAC共运算8万多小时,为氢弹的研制、天气预测、风洞的开发都做出了卓越的贡献。

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格伦·贝克(远)和贝蒂·斯奈德(近)在位于弹道研究实验室(BRL)Building 328的ENIAC上编程

正如开头所言,对于ENIAC的“第一”一直存在争议。其中Z-3和ABC这两台计算机都是世界上第一台电子计算机的有力竞选者。

Z-3是德国工程师康拉德·楚泽制造的Z系列第三代计算机。Z-1发明于1936年,由于性能较差,没有获得政府支持。楚泽开始独自组装电磁式计算机Z-2,性能获得了突飞猛进的进步并成功吸引了德国飞机研究所的关注。在研究所的帮助下,应用于飞机制造的Z-3计算机于1941年完成。

这台计算机数学性能优良,在飞机制造的计算提供方面绰绰有余,楚泽还在计算机内编写了国际象棋游戏。不过,这台计算机在1943年的空袭中被炸毁。楚泽没有灰心,一年后制作出第四代计算机,并开发了一套编程语言Plankalkuel。不过由于同样是机密项目,直到1958年,计算机学界才知道他的成果。

另一台计算机“ABC”全称是Atanasoff-Berry Computer,阿塔那索夫(Atanasoff)以及他的学生贝瑞(Berry)是它的两位发明者。他们的计算机有四大重要特点:1、采用电子管元件;2、采用二进制代替十进制;3、采用电容器作为存储器;4、采用逻辑运算代替数字运算。1939年两人完成了ABC样机的建造。

据传闻,ENIAC的主要制造者之一的约翰·莫奇利曾花了5天时间在阿塔纳索夫家里研究ABC,然而莫奇利在申请专利时并未提及ABC和师徒俩。经过详细的调查后,由于在设计思想部分来源于ABC,最终于1973年10月19日撤销了莫奇利对于ENIAC的专利权。

不过,大部分人还是认为ENIAC是真正意义的第一台电子计算机,一方面是因为Z3还不是“电子”计算机,而是电磁计算机,ABC虽然是使用了真空管的电子计算机,但并未用于实践。另一方面更重要的是,ENIAC发明之后发挥的巨大能量,为当时世人所惊,于是名声越来越响。

这一阶段还有英国的巨人计算机,以及霍华德·艾肯在1944年设计的马克一号。这种“电子管”电子计算机,都属于第一代,它们拥有的共同特点是庞大的“身躯”。拿ENIAC举例,它就重达30吨,占地面积达到了500多平方米。第一代计算机对 “二进制”的采用和“存贮程序”等技术思想,为第二代奠定了基础。

到了50年代末期,第二代计算机开始出现。与第一代真空管计算机不同的是,第二代采用的是晶体管。1956年,美国军方研制的军用小型晶体管计算机问世,这一技术的创新大大缩小了计算机的体积,只需要几个大柜子就可以放得下。

1958年,英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯发明了集成电路和微处理器,进一步加速了运算和稳定性。总之,1959年到1964年间设计的计算机一般称为第二代计算机。

1964年到1972年的计算机一般被称为第三代计算机。大量使用集成电路,典型的机型是IBM360系列。这一代计算机相较前两代更为稳定可靠,计算速度更快,并且应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。

以上电子计算机主要用于研究、科学和军事领域,而真正进入千家万户的电子计算机是第四代。硬件方面,逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路。1971年,美国英特尔公司 (Intel)推出的第1款微处理器Intel 4004,也是全球第一款微处理器,开创了微型计算机的新时代到1982年,微电脑开始普及,大量进入学校和家庭,个人电脑成为现实。

在21世纪的现在,计算机的应用已经涉及到方方面面,各行各业了。

可以看到,电子计算机的每一代都显著的超过了前一代的性能。这一现象被称作“摩尔定律”。如今回头来看,电子计算机极大的改变了人类的生活,也因此,它与蒸汽作为动力,电的使用一样具有划时代的意义,被称为第三次科技革命。

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