计算机发展简史

20世纪对人类影响最大的事件莫过于计算机的发明和应用，它将人类从机械时代带入到信息时代。

1946年研制成功的ENIAC是第一台电子计算机，它的研制成功带来了计算工具的革命，并开创了一个新的时代——计算机时代。

ENIAC是第一台电子计算机，但它并不是人类发明的第一台计算机。

在ENIAC之前，人类研制了机电计算机；在ENIAC之后计算机技术继续快速进步，特别是在集成电路技术的推动之下性能有千万倍的提高，并广泛渗入到我们的工作和生活之中。

时至今日，计算机已经成为我们日常工作和生活中离不开的工具，今天的计算机已经和ENIAC千差万别。

了解计算机是如何从早期的雏形发展至ENIAC，再逐步演化到今天的模样，对我们理解一个产业领域的技术演进过程十分有帮助。

我们在上一篇文章中讲述了计算机发明前的工具，在这篇文章中我们将详细讲述计算机是如何从早期的雏形发展至ENIAC，再逐步演化到今天的模样。

继电器计算机——代表：哈佛Mark I

计算机本质上是人类发明的一种工具，用于帮助人类进行信息处理和数值计算。

在机械时代（计算机发明前的工具），这些功能的实现是通过杠杆、滑轮、轴等一系列机械零件完成的；到了电气时代，则是通过电路来完成这些任务的。

继电器是电与机械相结合的器件，按电磁原理工作且有“开”和“关”两个状态，因此很适合作为计算电路中的器件。

继电器计算机是人类进入电气时代后发明的第一款计算机，它兼具机械和电气的特征，是现代计算机最早的雏形。

继电器计算机的代表是美国哈佛大学计算机实验室的艾肯设计和研制的Mark计算机。艾肯是Mark计算机项目的发起人和结构师，计算机的制造是IBM完成的。

1943年，Mark I在IBM完成了制造和调试。

1944年，IBM公司的总裁沃森把计算机作为礼品赠送给哈佛，它正式被命名为IBM 自动顺序控制计算器，但这台计算机更广为人知的名称是Harvard Mark I。

Mark I十分庞大，长51英尺，高8英尺。

这台机器内部总共装有75万个各种器件，其中大多数是二进制开关、十进制开关、继电器以及各种转轮和凸轮等，内部用于连接部件的信号线和电源线超过五百英里。

开发和建造这样一台机器的花费十分庞大，据估计IBM制造Mark I 的费用约在40万美元到50万美元之间。

在机械计算器时代，进行计算的动力来自操作人员，数字计算是通过杠杆、滑轮、轴等一系列机械零件完成的。

在继电器计算机时代，计算机运行的动力是电力，数字计算和信息处理是通过继电器组成的电路完成的。相比纯机械时代，继电器计算机不仅运算速度更快，而且功能更加强大。

电子管计算机——ENIAC

1906年，美国工程师德福雷斯特发明了具有信号放大功能的三极真空电子管，这具有划时代的意义并为电子管计算机的诞生奠定了基础。

继电器是电与机械相结合的器件，而真空电子管则是彻底的电子器件，在电路中用电子管取代继电器可以使计算机的性能获得数量级的提升。

二战时期对新武器的研发催生了对计算速度的迫切需求，但已有的基于机械和机电的计算器远远不能满足科学家们对计算速度的要求。基于电子管的电子数字电路其速度远超继电器电路，因此采用电子管来建造计算机器是发展的必然。

美国的阿纳索夫教授和他的学生贝利在1940年到1942年期间研制了世界上第一台电子管数字计算器，但这台机器很简单，能力非常有限。

ENIAC（电子数字积分器和计算机）则是世界上第一台能运行的电子数字计算机，它是由宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院的莫奇利和埃克特设计和研制的。

1942年8月，莫奇利写了一篇《关于高速电子管用于计算》的备忘录，提出了研制一台电子计算机的建议。这台机器能在100秒钟完成一台微分分析仪需要10~20分钟的计算。

在埃克特的帮助下，莫奇利从1943年开始ENIAC的设计，1945年完成了ENIAC的制造。

ENIAC的建造共用了18000个电子管、70000个电阻、10000个电容，1000个继电器和6000个开关。

整台机器高8英尺，宽3英尺，长100英尺，重量近30吨，耗电量当于140千瓦，最后的花费高达48.7万美元。

ENIAC的加法运算速度为每秒5000次，乘法为每秒300多次，存储容量只有20个字。虽然它是一个庞然大物，程序指令靠外部接插线实现，使用起来既费力又费时，但是它的研制成功激起了计算工具的革命，开创了一个新的时代即计算机时代。

1946年2月16日，在摩尔学院举行了庆祝典礼，报道ENIAC的新闻短片在美国全国放映并得到了空前的报导效果，最有新闻价值的是一秒钟能完成5000次操作的能力，这比Harvard Mark I快千倍。

当莫奇利设计ENIAC时还没有内部存储程序的想法，ENIAC改变计算程序需要通过重新连接线路来实现的，这通常需要花几个小时甚至几天时间。

冯.诺依曼知道了正在研制的ENIAC，他访问了摩尔学院并与埃克特和莫奇利多次交流关于计算机的情况。

冯.诺依曼和摩尔电气工程学院的莫奇利、埃克特及其小组其他成员对计算机进行了深入的探讨，逐渐使“存储程序”的概念成熟了，其中冯·诺依曼发挥了积极的作用。这种能将程序指令存储在机器内部存储器中从而实现自动控制的机器为今天所有计算机的结构奠定了基础。

此后计算机的基本结构维持不变，那就是20世纪40年代由埃克特、莫奇利和冯.诺依曼共同讨论的存储程序思想，即冯.诺依曼体系结构。

晶体管计算机

计算机存储程序结构的确定以及磁芯存储器的研制成功，使计算机真正成为能自动运行的机器，研制存储程序电子管计算机的热潮开始兴起并诞生了一批计算机企业。

虽然电子管计算机的性能比继电器计算机有了数量级的提高，但电子管的诸多内在缺点严重制约了电子管计算机的应用和推广。

电子管的主要缺点是可靠性低、功耗高、体积大、坚固性差，这极大限制了电子管计算机的发展。与此同时各个领域、各个行业对电子计算机的需求日益增长，迫切要求有可靠性高、性能更强的电子计算机。

20世纪40年代肖克利与他人合作发明了晶体管，人们自然想到采用半导体晶体管作为计算机的核心器件。

到20世纪50年代中期，半导体晶体管的生产工艺已达到了可提供用于批量生产民用晶体管通用计算机的水平。从此晶体管很快代替了真空电子管，在60年代就以晶体管计算机为主了，进入第二代电子计算机即晶体管计算机时期。

1955年，贝尔实验室为美国空军研制了全晶体管数字计算机TRADIC，它是第一台没有电子管，而全部采用晶体管和二极管的机器，功耗100W，体积为3立方英尺。

整台机器包含700个点接触型晶体三极管和10000个晶体二极管，具有功耗低、重量轻、体积小的特点，特别适合于在飞机上使用。

这台计算机连续运行两年，晶体管器件总共只有17个失效，其失效率比起电子管机器要低很多，表明高可靠性又是晶体管计算机的一个特点。

1959年生产的新型号计算机大多数是晶体管计算机，很大一部分型号是将原有电子管计算机晶体管化，即计算机的结构没有什么变化，只是将电子管用晶体管替换。

由于组成电子计算机的基本电子器件改变了，计算机的生产工艺和组装技术也随之有所变化，但并没有立刻影响到计算机的体系结构及其组成。

随着晶体管电子技术的发展，IBM公司对早先的700计算机系列进行了重新设计，将原来的电子管计算机700系列较快地发展为晶体管计算机7000系列，在电子计算机市场的竞争中取得新技术的优势。

晶体管计算机不仅可靠性更高，运输速度也进一步提高，例如IBM 7090的运算速度比709机快6倍：在执行科学计算时，7090型晶体管机的有效速度比709电子管机快52.1倍，而在进行商业计算时，则提高了4.4倍。

IBM 709的加法时间为24μs，而IBM 7090为4.4μs。

集成电路计算机

电子计算机用电路来实现信息处理和数字计算的功能，电路是电子计算机的核心，而真空电子管和晶体管只是组成电路的核心元器件。

虽然晶体管相比电子管在使用寿命、功耗、结构稳定性方面都有显著的提升，但用晶体管构成电路的体积和功耗仍然较大，不利于计算机的小型化。

随着集成电路的发明，计算机才终于进化到我们今天熟知的模样。

集成电路简单来说就是将包含晶体管、电阻、电容等多种元件的电路集成到一块硅片上。

它是以半导体晶体材料，经平面工艺加工制造，将电路的元件、器件和互联线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统。

微小型化电路在结构上比最紧凑的分立元件电路的体积小几个数量级、重量轻几个数量级、可靠性高很多。

1958年美国德州仪器公司的基尔比用半导体料来制作包括晶体管、电阻、电容在内的并互联成的完整的电路，发明了第一个半导体集成电路。

同期仙童公司的诺伊斯发明了用平面工艺制作硅集成电路的技术，现代信息技术产业最重要的集成电路技术至此诞生。

集成电路技术不仅实现了电路的微小型化，而且还拥有巨大的进步空间——即存在摩尔定律：集成电路的集成度每两年翻一番，同样集成度的芯片的价格每两年要下降一半。

几十年来，半导体技术一直按照这个规律发展着。这促进了计算机和其他数字设备及它们的应用迅速发展，使生产成本持续下降，功能与性能却日益增长，创新步伐不断向前。

第一台试验性的集成电路计算机由德克萨斯公司与美空军合作于1961年制成，到1966年美国生产的新型通用计算机大多数使用集成工艺。

1966年，IBM公司推出360系统中第一个集成电路计算机——44型机。

随着集成电路技术的进一步发展，英特尔公司在1971年成功研制了4004微处理器，标志着单芯片微处理器的诞生。

4004微处理器在3mmx4mm芯片上集成了2300个晶体管，这是20世纪70年代硅半导体技术所取得的突破性进展，在计算机技术发展史上是一次革命。

微处理器的出现和发展将计算机带入到PC时代，计算机不再是少数大型机构和企业才能拥有的工具，而是成为人人都可以拥有的工具。

美国在计算机技术发展史上独一无二的地位

计算机技术的发展是与其它领域科学技术的发展相辅相成的。

没有真空电子管，就不会有电子管计算机；没有半导体的发展，就不会有晶体管计算机；没有半导体集成电路技术的发展，就没有今天高性能微处理器心片。

计算机技术的发展离不开其它科学技术的支持，而计算机技术的进步也大力推动了其他领域科学技术的发展。

在计算机技术的发展史上，美国不仅仅是绝对的主角，而且几乎是舞台上唯一的演员。

在早期计算机的诞生和发展过程中，各阶段有代表性的计算机都是美国设计和制造的；在计算机技术的发展过程中，做出重要贡献的科学家几乎全部来自美国。

从20世纪40年代到90年代计算机技术的高速发展过程中，全世界所有国家包括西欧、日本、苏联等国家为何没能在计算机技术上与美国做出等量的贡献，为何计算机产业至今仍然牢牢掌握在美国手中？

美国在计算机以及半导体技术上独有的垄断优势，是多方面因素共同作用的结果，是美国获得了独特的战略机遇期，在未来很难再有同样的机遇！

第一是技术机遇。

经过机械时代的发展，数字计算和信息处理技术已经逐步成熟，利用电子技术制造计算机的基础已经建好。

第二是需求机遇。

二战时原子弹和雷达等先进武器的研制带来了庞大的计算需求，促使美国的科研机构研制计算机，计算机早期的雏形基本也是诞生在美国国防研究支持的机构中。

二战后经济的恢复和发展带来了大量的信息处理需求，这些都需要更好的信息处理工具。

第三是国际政治格局和经济格局机遇。

二战后，美国是全球唯一的超级经济大国，是唯一有经济能力研发计算机的国家。

以苏联为首的社会主义阵营虽然在军事和政治上与美国为首的西方阵营针锋相对，但是在经济规模上完全无法与西方阵营相比。

在西方阵营内部，欧洲和日本的经济毁于二战战火，此时尚仰仗美国支援恢复原有的产业，在新技术发展领域完全无力与美国竞争。

美国在半导体产业上的领先既有历史机遇，也有技术因素，这个技术因素就是摩尔定律。

从最初的继电器计算机，再到电子管计算机、晶体管计算机，直到集成电路计算机，计算机技术在发展过程中经历了多次革命性的变化。

但是从50年代至今，计算机技术一直在集成电路领域发展，而集成电路的技术进步遵循的是摩尔定律。

摩尔定律的生效在客观上有助于维持美国在半导体产业上的领先优势，因为技术的快速迭代加大了后发者的追赶难度，使得中国在半导体产业上的追赶与钢铁电力等传统产业的技术追赶截然不同。

但是集成电路从诞生至今经过将近80年的发展已经接近物理极限，摩尔定律正逐步失效，这给了中国这样的后发追赶者更好的机会。

美国至今在计算机产业以及相关的半导体工业上拥有绝对的领先优势！

PC产业中Wintel联盟仍然处于主导地位，唯一打破Wintel联盟垄断的苹果电脑也是美国企业。

在集成电路产业中，美国仍然牢牢掌握从半导体材料到半导体设备以及到最终的芯片等半导体产业的所有环节。

即使是三星电子、台积电、ASML这样的非美国企业，也是建立在美国半导体产业的技术基础之上的，是美国半导体产业的附庸。

基于美国在半导体产业上如此显著的优势，中国半导体产业的发展处处受到美国的限制并不奇怪。

我们既要看到美国在半导体产业上的垄断优势，对中国半导体产业突围的艰巨程度有清醒的认识；同时我们也不能失去信心，摩尔定律正在逐步失效，美国在半导体产业上的优势正在逐步衰退，中国半导体产业的突围的可能性不断提高。

只要我们遵守技术和产业发展的规模，坚持自力更生，中国的半导体工业就一定能够实现突破。

参考资料：

1、《计算机简史》

2、《计算机技术发展史一》

3、《计算机技术发展史二》

4、《IBM：世界最大计算机公司发家史》

5、《三位一体：英特尔传奇》

6、《硅谷百年》