古今计算机精彩简史
计算机为什么是今天这样子？本文将用一气呵成的方式，把计算机发展历史快速缕一遍。
小时候，见过计算器，能很快完成计算，当时心想，计算器真厉害，能提前把所有结果存储下来。
后来，吵着闹着要买小霸王学习机，最后如愿变成游戏机，经典游戏“超级玛丽”和“坦克大战”至今历历在目。
后来，读初中，有了象征意义上的电脑课，穿着鞋套去电脑室，完全不会操作。有一次，把电脑弄死机了，吓得不轻，梅老师瞪了我一眼，直接把电源关了。
然后，他回到他自己的电脑上，潇洒地听着任贤齐唱“让我悲也好，让我醉也好......”。那时，我知道了电脑还能唱歌。对电脑的屏幕画面，也只有个模糊的印象：
那时的电脑显示器，真的很丑陋，在很长一段时间内，我一直误以为，这一大坨东西就是电脑的全部。其实，它只是显示器而已，远非核心部件。
广义上讲，上面提到的电子计算器、小霸王学习机和初中见到的那些电脑，都是计算机。你现在拿在手上用于阅读的手机，也是计算机。总之，计算机无处不在。
要了解计算机，就应该了解它的发展过程，去探索历史上那些精彩的瞬间。本文从宏观的角度，浮光掠影般了解一下计算机历史。我们将以下图的框架目录来展开简述：
一. 手动计算机
这里讲的手动计算机，是从远古时代到17世纪初。很久很久以前，女同志白天忙采集，男同志白天忙打猎，昨日猎回几只羊，今朝逮回几只兔，都需要计数，这涉及到数的表示。
计数的历史
远古时代的人，也有十个手指，所以采用手指来计数，是很顺其自然的事情，这也就是十进制的来源。小时候，我们学习十以内数字的加减，就是用手指来计数，来看常见表示：
我们来看下牛津词典对digit的解释，手指和数字的关系，一目了然。digit既有手指的意思，也有数字的意思。我们也顺便学会了digit, digital, bit(binary digit)这几个单词。
想一下，手指计数有哪些不足？很显然，当数字变大后，手指个数不够了。而且，古代的人也需要吃饭， 某天逮回3只羊，用手指记录下来，吃饭时还得保持手指计数的姿势。
至于睡觉，那也睡不好，睡醒之后，手指松了，一切都忘了，这就尴尬了。得想其他办法，很自然地，不要用手指这样的“活物”来计数，用石头吧，毕竟石头不需要吃饭睡觉：
我们来看下calculus这个单词。容易看到，石头和计算也联系在一起，历史渊源，原来如此。顺便地，很轻松地学了单词，下次看到calculator, calculation, 岂会陌生?
想象一下，要把石头从北京带到深圳，该多麻烦。石头太笨重了，还是不好，得想其他办法。于是，人们想到用绳子来计数，轻松多了，携带也更加方便了。
英语单词cord就是绳子的意思，record就是记录的意思，用绳子来记录嘛。从词源学来看，cord和record还是很有渊源的，很多东西联系起来就简单了。
用结绳计数的人，可能会深刻理解李煜说的“剪不断，理还乱”，“别是一般滋味在心头”。我曾遇到过多次解不开结而苦恼的场景，相信你肯定也有，看着就头大头晕。
而且，绳子计数没法处理篡改的问题。昨天我从你那里借了3只兔，在绳子上打3个结，晚上回家偷偷解开其中的1个结，这就尴尬了，可见，要防止单方面偷偷篡改。
于是，古人采用了刻痕计数，有了刻痕，双方立下契约，劈成两半，每人一份，防止单方篡改。在商朝时，甲骨文很流行。前几年，还有人在高考作文中用甲骨文呢。
我们提到的手指、石子、绳子和刻痕，主要用来计数，有了计数后，我们得对它进行加减乘除运算，这就涉及计算。接下来，我们简要聊聊计算方法和工具的发展。
计算的历史
中国的算筹，历史悠久。也有很多词语中包含筹，如觥筹交错，运筹帷幄等，现代管理学中还有一门“运筹学”的课程。所谓筹，就是竹子，跟摆弄火柴棍差不多。
来看算盘，估计很多人见过，我家就有这个东西，“三下五除二”貌似尽人皆知。楼下培训机构有个“珠心算课程”，曾经探头去看了一眼，不怎么火热，来看看算盘：
再来看纳皮尔筹，我琢磨了一下，道理很简单，本质就是“九九乘法表”。比如，要计算125*8的值，预期结果是1000，具体是怎么计算的呢？我试了一下，如图：
纳皮尔发明了对数，大家在高中肯定学过。大家应该记得这个符号：logN, 那个N不仅仅指代正整数，也指代纳皮尔名字中的N，表示对这位计算先驱的纪念。
后来，拉普拉斯说：对数的发明，以其节省劳力，而使天文学家的寿命增加一倍。伽利略说：给我空间、时间和对数，我就能创造宇宙。对数的本质是降维。
什么意思呢？对数可以把乘法除法转化为加法减法。类似的做法是非常普遍的，傅里叶级数，傅里叶变换，拉普拉斯变换，Z变换，都是如此，降维降级处理。
以常用的傅里叶变换为例，它把卷积运算降维为乘法运算，实现了积分向乘法的转换，使得计算复杂度大大降低，学过《信号与系统》的朋友，应该深有感悟。
再来看看由对数引出的滑尺计算，这个尺子是按照对数来制作的。很容易看出2*3=6，直接用尺子得到了结果，其背后的数学逻辑便是对数，log2+log3=log6, 所以2*3=6
那年国庆节，看了核潜艇之父黄旭华老先生获得了共和国勋章奖，在他的一个视频，有一把计算尺，在那个年代，就是靠类似的计算尺完成核潜艇计算的，挺不容易。
无论是算筹、算盘、纳皮尔筹还是滑尺，都需要人参与具体过程和计算细节。那么有没有这样的工具：输入3和4，让工具自动得到7呢？那就来看自动计算的工具吧。
二. 机械计算机
机械计算机时代是从17世纪初到19世纪末。契克卡德是德国人，他制作了一个计算钟，能实现简单自动计算，当时的工艺肯定没有下图这么精美，下图是后人做的复制品：
法国的帕斯卡，就是搞压强的那个物理学家。著名编程语言Pascal之名，正是取自帕斯卡，以纪念这位计算机先驱。帕斯卡制作了加法器，看着那些齿轮，真想去拧一拧：
德国的数学家莱布尼茨，就更有名了，也是个非常自负的家伙。大学高等数学中的“牛顿-莱布尼茨”公式，应该熟悉吧，还有莱布尼茨对于交错级数是否发散的判定方法。
他敢跟牛顿爵爷叫板，还是有几把刷子的。另外，据说，莱布尼茨对二进制的发明，也有较大的贡献，这是现代计算机计算的基础。莱布尼茨当时做了个机器，能做乘法：
在计算机发展史上，上面都是铺垫，直到巴贝奇差分机，才有了一些现代计算机理念的感觉。作为现代计算机的鼻祖，巴贝奇为计算机奋斗一生的精神，一直鼓励着很多人：
巴贝奇分析机更是思维超前，虽然最终没有实际制造出来，但闪烁着天才般的智慧和火花，很多理念与现代计算机原理非常相似，来看下巴贝奇分析机模型，感觉挺炫酷的：
巴贝奇带着遗憾离开人世，但给后人留下了宝贵遗产。1832年，17岁的Ada参观了巴贝奇差分机，深深着迷。在巴贝奇去世后，Ada继续发扬光大巴贝奇的工作，为机器编程。
Ada被认为是计算机历史上的第一个程序员，是个女程序员哈。美国国防部曾经花了10年时间研发了一种编程语言，在命名时，他们想到了Ada, 并以此来命名，这就是Ada语言。
Ada的父亲，是英国著名诗人拜伦，可曾记得他那经典的话：命运要我去流浪的地方还不少，去时还带着多少可叹的记忆；但我唯一的慰藉的事情是：最不幸的遭遇也不足为奇。
扯远了，回归正题。可以看到，在机械计算机时代，人们用各种方式来制造精巧的机器，让机器完成简单的计算，这是很大的飞跃， 因为它把人从具体的计算过程中解放出来了。
三. 机电计算机
机电计算机是从19世纪末到20世纪40年代。机械和机电的差别，从名字上就可以看出来。自18世纪中叶以来，电学蓬勃发展，一些机器开始可以用电来驱动了。
美国宪法中这样一条规定：每10年需要做一次人口普查。1880的人口普查，花了7年的时间才得到结果。这就尴尬了，3年后，也就是1890年，还得再次普查。
随着美国人口越来越多，会出现这样的问题：前一轮还没普查完，后一轮又要开始。于是，开始想办法尽量实现自动化，霍尔瑞斯发明了制表机，并脱颖而出。
1890年的人口普查数据，是1880年的两倍，但总共却只耗时2年左右。当时，霍尔瑞斯制表机没有选择二进制，原因：二进转换困难，二进制机器制作困难。
人口普查后，霍尔瑞斯名声大振。在1896年，他开了个制表机公司。在1924年，公司改名为IBM, 响当当的名字，快100年了，IBM在每个时代，几乎都不落伍。
在第二次世界大战中，各国基于军事需要，大力投入了计算机的研究，但是，德国似乎不怎么看好计算机，希特勒更相信武器本身的威力，更相信密集式地狂轰乱炸。
祖斯，德国著名的计算机先驱，在1935-1945这十年左右的时间，先后建成了Z1/Z2/Z3/Z4计算机，这些计算机时运不济，命途多舛，要么不被重用，要么被战火吞噬。
祖斯的Z1/Z2/Z3/Z4都很有创造性，比如，Z1验证了机器计算的可行性，Z2是第一台电磁式计算机，Z3可以用二进制控制Z4能用穿孔纸袋输入输出，甚至是处理条件。
在第二次世界大战中，德国不怎么重视计算机， 但美国就不一样了，各类计算机相关的研究如火如荼地进行。也就是从这时开始，美国在信息领域的领先地位开始建立。
史蒂比兹在自己的厨房，用二进制做实验，验证二进制的可行性。很多书上能看到Model K, 这个K就是kitchen，是厨房的意思，他老婆取名Model K，挺有意思的哈。
贝尔实验室的Model是一个系列，有很多不同的机型，比如Model I, 能完成远程通信，毕竟电话与通信是贝尔实验室的强项，这也为后来计算机网络的发展奠定了基础。
哈佛大学也不甘落后，与IBM合作制作了哈佛Mark系列，不过其总设计师艾肯却宣称哈佛Mark I是他一个人搞起来的，IBM的小沃森自然很恼火，最终不得不分道扬镳：
哈佛Mark II是当时最大的继电器是计算机，有13000多个继电器。我们来看看继电器长啥样子。我还记得，在读初三时，物理课上，老师深入讲解过继电器：
1947年9月9日，那是一个秋季的九九艳阳天，一个蛾子飞进了哈佛Mark II的一个继电器，导致继电器失效，机器无法正常工作，这就是历史上有名的bug事件。
如今的软件开发中，大家常说的软件bug, 就是指软件缺陷或者漏洞，实际上，其实说的就是1947年的那只该死的蛾子。工作之后，我天天抓bug，抓得不亦乐乎。
四. 电子计算机
电子计算机从20世纪40年代至今，一直方兴未艾。 继电器虽然可以用来做计算机零件，但并不完美，它是机械的，反复移动，容易断裂，而且速度还很慢。
于是出现了电子管，也称真空管，继电器能做的二进制功能逻辑，电子管都能做，而且速度更快，快1000倍。来看看电子管长啥样，我觉得挺好看，颜值不错：
当时，很多机电计算机由继电器构成，但到了1945年，电子管计算机基本上取代了机电计算机，线路乱七八糟，操作计算机的方式就是插电线， 拔电线。
那时的操作员，相当于今天的程序员，都是“编程”。不同之处是，那时工作很繁琐，需要耐心，有很多女孩子加入，于是，男孩子也不愁找不到女朋友了。
不像今天，程序员找个女朋友，费劲得很，可能是因为女程序员太少了。不久之前，有个男程序员就跟我聊天，吐槽这件事情，我就听听，然后乐呵笑了。
电子管计算机固然快，但很昂贵，而且还受到“爱迪生效应”的影响：电子管工作的时候，容易发热，动不动就被烧坏，这对于稳定性来说，是很致命的呢。
比方说，好不容易写好一篇公众号文章，辛辛苦苦花了一周时间，结果某个电子管烧坏了，整个计算机失灵，文章丢失，肯定要骂人，丢过文章的人都知道。
鉴于电子管的缺点，人们开始研究新的器材。1947年，晶体管诞生了，学过模拟电路的朋友，应该很熟悉这个东西，我的专业就与此相关。话不多说，来看下晶体管外形：
1956年，肖克利因发明了晶体管而获得了诺贝尔物理学奖，晶体管改变了世界。肖克利本人名利双收，但想搞更多的钱，于是开始开公司，可是他智商很高，情商太低。
于是，肖克利手下的八个人，先后离开了他。肖克利自然不满，给这八个人扣了一个大帽子，即“八叛逆(The Traitorous Eight)”，这可是很厉害的八个人哦，一起来看看：
1957年，这八个人接受一家公司资助，成立了后来很有名的仙童半导体公司，上图的的字母F, 就是Fairchild, 意思就是仙童。学电子电路的朋友，应该基本都听说过这个公司，它被誉为是硅谷的西点军校。
乔布斯就曾将其比作成熟的蒲公英，只要风一吹，其创新的精神，就像蒲公英的种子那样，四处飞扬，生根发芽。然而，天下没有不散的筵席，他们又陆续离开仙童公司，于是有了Intel和AMD, 是不是很熟悉?
大家电脑中的CPU, 基本都是这两家的搞出来的。这里顺便说一下，摩尔是Intel的创始人之一，他提出了著名的摩尔定律，至今仍有效，并支配着硬件的发展。貌似扯远了，我们来继续看当时的晶体管计算机：
尽管晶体管使计算机简化了很大，但计算机仍然是庞然大物，还能继续进行压缩吗？1958年，就职于德州仪器公司的杰克基尔比，发出疑问：为什么不在一块硅片上，制造多个晶体管呢？这就是集成电路。
1959年，肖克利八弟子之一的罗伯特诺依斯(Intel创始人之一)， 也想到了同样的方法。他们后来为谁先发明集成电路而争论不休，现在普遍的观点是：他们独立发明了集成电路，可以说都是集成电路之父。
说到罗伯特诺依斯，在乔布斯的“Stay Hungry, Stay Foolish”演讲中，他说自己被赶出苹果公司后，曾去找过罗伯特诺依斯和HP创始人之一的戴维帕卡德，估计是一起喝酒吐槽。来看下集成电路芯片吧：
然而，这种集成度还远远不够，能不能在更小的芯片上集成更多的晶体管和电子元件呢？当然可以，这就是大规模和超大规模集成电路。一块芯片，指甲那么大，居然集成了上亿个晶体管和电子器件，而且还要正常稳定工作，每每想到此，就不寒而栗了。
当年占据整个房间大小的计算机，如今竟然被集成得这么小， 而且功能远远超过当时的计算机。这背后是数学、物理、化学、微电子学、电磁学、光学和量子力学等学科的功劳。难怪华为任总说：搞芯片，砸钱是不行的，要砸数学家，物理学家和化学家。
讲到这里，似乎把计算机发展简史叙述了一遍，但仅仅是从计算机硬件角度进行的，并不是计算机发展历史的全部，甚至只能算作是冰山一角。
从计算机科学上看，没有讲到计算机科学之父——阿兰图灵，没有讲到现代计算机之父——冯诺依曼，没有讲到信息论之父——克劳德香农。此外，对于计算机型号、计算机公司、软件发展、操作系统、编译器、各种编程语言、数据库、计算机网络等等都没有讲到。所以这篇文章是不完整的，也不可能在一篇文章中把所有的东西介绍完毕，毕竟浩如烟海。
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不代表中科院物理所立场
来源：涛歌依旧
编辑：牧鱼