電子計算機(jī)的歷史

--計算機(jī)的萌芽

@進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)6? 20220501?

????人類文明進(jìn)步的動力離不開科技的推動，計算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用讓人類文明實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，在人類歷史上，很少有像計算機(jī)一樣讓我們對它產(chǎn)生如此巨大的依賴。計算機(jī)已經(jīng)完全脫離了它計算的本質(zhì)，除了工作，延伸到學(xué)習(xí)、娛樂、溝通、生活的方方面面，從大型機(jī)、小型機(jī)一直演化成我們身邊的平板電腦、智能手表、眼鏡、甚至一個小小的心臟起搏器，計算機(jī)可以越來越小，可智能化程度已經(jīng)超出我們相像，無處不在，不可或缺。

隨著元宇宙的興起，承載現(xiàn)實(shí)世界映射與交互虛擬世界的，將是一個集成計算機(jī)的眼鏡，所以未來將是一個眼鏡，智能眼鏡將像手機(jī)一樣普及。

????計算機(jī)為什么有如此巨大的影響力，我們就要從計算機(jī)的歷史說起。

??

????從1946 年 2 月，世界上公認(rèn)的第一臺電子計算機(jī) ENIAC的問世到今天也才短短70多年，計算機(jī)的發(fā)展之快超出了所有人的想象，之所以出現(xiàn)這樣的發(fā)展奇跡。

? ? 這里面有有像阿蘭.圖靈和馮.諾伊曼這樣天才科學(xué)家出現(xiàn)的偶然性，但也是人類科技文明不斷向前發(fā)展的必然性。

? ? 電子計算機(jī)的出現(xiàn)不是一蹴而就的，而是經(jīng)歷了漫長的知識和實(shí)踐的積累，本期我們就先看看前電子計算機(jī)時代 –電子計算機(jī)的萌芽。?

????在人類早期文明中，伴隨著人類對數(shù)字的認(rèn)識，計算需求出現(xiàn)了，但計算是一件很不容易的事。

?

????有1000多年歷史的算盤是我們引以為傲的計算工具，它可以被稱作是一臺手動計算機(jī)，為什么敢稱為計算機(jī)？計算機(jī)定義最早源于阿蘭.圖靈確定的4個方面： 有一套運(yùn)行規(guī)則、能根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入計算出一個新數(shù)值，進(jìn)入下一個新狀態(tài)，更新機(jī)器的數(shù)值。一句話，看它是不是不需要人腦而采用一套規(guī)則表就能實(shí)現(xiàn)計算。算盤基本具備這個4個特性：有撥珠規(guī)則，算盤兩邊一邊用于計算，一邊用于計數(shù)，實(shí)時更新計數(shù)；它的缺點(diǎn)也很明顯，這個規(guī)則的執(zhí)行需要靠人，而不能依賴算盤自動處理。?

????首次發(fā)明了機(jī)器就能處理規(guī)則的是帕斯卡，帕斯卡是誰？高中物理學(xué)課中， 壓強(qiáng)的基本單位“帕斯卡“就是以他的名字命名的，簡稱帕。

? ? ? 他于1642 年發(fā)明了加法器，首次確立了計算機(jī)器的概念。不過，這個“第一臺機(jī)械式計算機(jī)”只能進(jìn)行簡單的加減運(yùn)算，其水平大概只相當(dāng)于幼兒園小朋友。但“帕斯卡的設(shè)想，在當(dāng)時可以算作非凡的大膽。因?yàn)樗o了人們這樣的啟迪；機(jī)器可以代替人的思考?！?/p>

?????

????到1673 年，跟大神牛頓硬剛了一輩子的德國偉大的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家萊布尼茨，在帕斯卡的發(fā)明基礎(chǔ)上設(shè)計制造了一種能進(jìn)行加、減、乘、除的手搖式計算器—萊布尼茨轉(zhuǎn)輪。這個機(jī)器已經(jīng)能夠完全掌握四則運(yùn)算規(guī)則，自動進(jìn)行加減乘除。

?? ?

????1822 年，英國數(shù)學(xué)家巴貝奇（C.Babbage）從法國人杰卡德發(fā)明的提花編織機(jī)上獲得了靈感，他花費(fèi) 了 10 年時間，設(shè)計并制造出了差分機(jī)。巴貝奇設(shè)計計算機(jī)器的基本想法是利用“機(jī)器”將 ?計算到印刷 ?的過程全部自動化，全面去除人為疏失。而差分機(jī)一號以齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動十進(jìn)制的數(shù)值相加減、進(jìn)位，差分機(jī)的研究是一次偉大的進(jìn)步。

?

????第一次和第二次世界大戰(zhàn)期間，世界科技的發(fā)展一直圍繞著兩個中心：德國和美國，互相封鎖，很多技術(shù)雙方都是在不了解對方的情況下獨(dú)自發(fā)展。

?????

????1938年德國力學(xué)工程師 康拉德.楚澤研制出世界上第一臺二進(jìn)制數(shù)字機(jī)械計算機(jī)Z1，它能依靠二進(jìn)制邏輯控制，是世界上第一臺依靠程序自動控制的計算機(jī)，是計算機(jī)發(fā)展史上是一個重大突破，也是機(jī)械計算機(jī)的巔峰之作。

?

機(jī)械計算機(jī)離我們很遠(yuǎn)嗎？實(shí)際上很近很近：

????

????curta手搖式計算器就是一個例子， 1947年開始制造，1970年停產(chǎn)，一共制造了大約140000枚，“6秒內(nèi)就可以算出 27653177* 0.002789 “，這是Curta1963年的廣告。

????Curta包含600多個零件，可以輕松握在一直手掌中，工藝設(shè)計可以與機(jī)械手表媲美，現(xiàn)在都是收藏愛好者的至寶，600多個零件集中在一個手掌中就可完成復(fù)雜的計算，堪稱神奇。

?

????在中國，我們第一顆原子彈爆炸 有“九次計算”的故事，就是原子彈核心理論前后運(yùn)算了9遍，這也從側(cè)面體現(xiàn)了數(shù)學(xué)計算在原子彈研發(fā)過程中的重要性和復(fù)雜性。

????網(wǎng)上有一個說法，“算盤撥出了第一顆原子彈”，并且給出了照片為證。原子彈的計算到底是通過何種工具實(shí)現(xiàn)的呢？

????先看計算機(jī)的應(yīng)用情況：1958年，我國第一臺電子計算機(jī)問世，名為103型計算機(jī)；1959年，104型計算機(jī)也問世了，它就是我國科學(xué)家在研發(fā)“兩彈一星”時使用的主力機(jī)型。但是，104的算力仍然是非常低，操作極其繁瑣，不夠便利。因此，原子彈科學(xué)家們還是需要大量使用傳統(tǒng)計算方式。

????用手搖計算機(jī)和算盤掃清理論障礙，兩彈元勛 鄧稼先的一部手搖計算機(jī)就見證著這段驚人往事。

????很多照片也看到科學(xué)家們大量使用手搖計算機(jī)的場景。

?????科學(xué)家們還有一種稱手的工具，叫做計算尺。和算盤類似，只是一種補(bǔ)充性的工具。 所以，對于核彈科學(xué)家們來說，主要靠電子計算機(jī)和手搖計算機(jī)，計算尺、算盤只能作為一種補(bǔ)充性的計算工具?！八惚P算出核彈”只是一種以訛傳訛的說法。

?

????機(jī)械計算機(jī)可以說是人類對自動計算的不屈不撓的嘗試，到此離電子計算機(jī)的誕生已經(jīng)不遠(yuǎn)了，但電子計算機(jī)的發(fā)明離不開數(shù)學(xué)理論的突破，有三位大神解決了這個問題，他們分別是：萊布尼茨、布爾和香農(nóng)，對就是發(fā)明萊布尼茨轉(zhuǎn)輪的萊布尼茨、創(chuàng)建布爾代數(shù)的喬治.布爾和信息論之父 香農(nóng)。

????1969年萊布尼茨發(fā)明二級制，二進(jìn)制的發(fā)明它發(fā)明手搖式計算機(jī)有趣的多，據(jù)說他發(fā)明二級制思想的來源是我們的文化瑰寶—易經(jīng)八卦，沒錯，就是他看到了易經(jīng)中的八卦圖，中國人看到它想到的是算命，而萊布尼茨想到了通過0和1的組合對八卦圖進(jìn)行編碼。

?

? ? ? 陽爻為1，陰爻為0，完成了8卦圖的編碼后，接著對64卦進(jìn)行編碼，從而進(jìn)一步將任意一個十進(jìn)制數(shù)字通過0和1的組合表示出來。這樣可以使二進(jìn)制可以像十進(jìn)制一樣完成所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

????萊布尼茨發(fā)明了二進(jìn)制并改進(jìn)了機(jī)械計算機(jī)，可惜的是他沒有看到他們之間的相關(guān)性。

?

二進(jìn)制最大的好處在于它容易用電路來實(shí)現(xiàn)，使用開關(guān)電路就可以對二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行表示和計算，但將二進(jìn)制應(yīng)用于開關(guān)電路，還需要一個橋梁，這座橋梁就是布爾代數(shù)。

? ? 奠定了二級制理論體系的是喬治.布爾，布爾代數(shù)簡單的不能再簡單了， 元素有兩真(TRUE) 和假(FALSE),分別對應(yīng)二進(jìn)制0和1，基本運(yùn)算只有三個：與、或和非三種，全部運(yùn)算只用三張真值表就能完全描述清楚。

????比如與(AND) 運(yùn)算符，只要有一個是假，運(yùn)算結(jié)果就是假；

????舉個與運(yùn)算符的例子：“太陽從西邊升起”這個判斷是假；“水可以流動”這個判斷是真；“太陽從西邊升起與水可以流動” 這個命題就是假。

?????這就是計算機(jī)運(yùn)算的基礎(chǔ)，是不是特別簡單。可惜布爾創(chuàng)立的理論在其后的80多年里都沒有被得到重視，生前也沒人稱它為數(shù)學(xué)家。? ?

????直到1938年，信息論之父克勞德·香農(nóng)在它的碩士論文《對繼電器和開關(guān)電路中的符號分析》提出了使用布爾代數(shù)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路，開關(guān)電路真正實(shí)現(xiàn)了所有的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算，也就是加、減、乘、除、乘方、開方等等全部都能轉(zhuǎn)換成0和1的布爾運(yùn)算。

?

????至此：機(jī)械計算機(jī)的思想的醞釀、二進(jìn)制布爾代數(shù)的突破、開關(guān)電路與布爾代數(shù)的結(jié)合三大條件都已成熟，可以說萬事具備，偉大的世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)的誕生就欠一個導(dǎo)火索。

?

好的，下期我們繼續(xù)了解電子計算機(jī)的發(fā)展史。

如果您覺得有收獲，記得點(diǎn)贊關(guān)注，感謝欣賞。