矽穀傳奇——晶體管之前的計算機

在談論IT革命之前，先讓我們來看看晶體管之前的計算機。

人類的進步主要由兩個部分組成：一是人類的組織原則和組織結構的進步，另一個是科學技術的進步。近代以來，人類在組織原則和組織結構方麵的進步相對比較緩慢。但是，科學與技術則有了翻天覆地的變化。用理工科的說法就是，以往的世代裏，科技進步是線性的，近代以來則是以指數形式在發展。近代的科技發展，賦予了人類無以倫比的力量。這麽說吧，要是把人類和地球上其他物種進行比較的話，今天人類的能力堪比上帝。

十八世紀的第一次工業革命給我們帶來了蒸汽機，人類在力量、速度、和距離上開始主宰世界，這是力學與熱學綜合應用的產物。十九世紀和二十世紀初的第二次工業革命，給我們帶來了新能源，電力、石油、化工等等新興產業主宰了我們的日常生活，盡管這次工業革命也帶來了一場世界性的農業革命，但從此人們對土地的依賴越來越弱了。這是熱力學、電磁學、化學綜合應用的產物。到了二十世紀末，一場徹底改變人類傳統生活方式的工業革命發端了。這是以技算機、互聯網、無線通訊興起的產業革命。這是以量子力學為代表的近代物理的綜合應用的產物。

在今天的世界裏，對人們日常生活影響最大的技術發明非計算機莫屬。其實，人們從開始計數的那一天起，就有了用某種人工裝置來代替人腦來從事計算的想法。人類曆史上第一台計算機是德國人契克卡德(Wilhelm Schickard)在1623年製造的，這台機器能夠進行六位數的加減運算。

 契克卡德                         契克卡德的計算機

近代計算機的曆史從法國偉大的數學家、物理學家帕斯卡(Blaise Pascal)發端。帕斯卡發明製作了人類曆史上第一台真正意義上的計算機——加法器。德國天才數學家萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)知道了帕斯卡的加法器後，對此進行了深入的研究，他發明並製造出了乘法器。萊布尼茲的乘法器用到了二進製。據說，萊布尼茨的二進製想法來自康熙給德國皇帝的八卦圖。萊布尼茨不但為計算機引入了二進製，他還是二值數理邏輯的創始人。從此，人們可以用數字來表示邏輯的真假了。帕斯卡和萊布尼茨的計算機都是機械裝置，他們的計算機是人類試圖製造思維的輔助工具的最初嚐試。這些計算機現在還能在博物館裏見到。

帕斯卡                                     帕斯卡的計算機

計算機的發展分為理論、結構、設計、工藝、應用等方麵。經過幾個世紀的發展，計算機從計算工具演化成了人腦和思維的輔助工具，計算所占的比重也越來越小了。但是，人類在計算機這一領域裏，從未停止過探索。直到上個世紀70年代，人類在這一領域探索的結果，醞釀出了一次真正的革命——第三次工業革命。它給人類的生活方式和價值觀帶來的衝擊超出了以往任何一次技術革命。人們從此進入了所謂的後工業時代。

萊布尼茨                     萊布尼茨的二進製計算機

真正現代意義上的計算機是1822年，由英國科學家巴貝茲(CharlesBabbage)製造出來的第一台差分機，它能處理3個不同的5位數，計算精度達6位小數。在計算機結構上，巴貝茲於1834年給出現代計算機的基本結構：堆棧、處理器、控製器。不久，巴貝茲就按照這一結構理念造出了一台計算機。這台計算機也是第一台需要軟件來控製的計算機，他的助手，英國著名詩人拜倫的獨生女阿達·奧古斯塔(Ada Augusta)為這台計算機編製了人類曆史上的第一批軟件程序。阿達和巴貝奇為近代計算機奠定了堅實的基礎，他們的計算機結構理念，比當時的人超前了一個世紀。堆棧、處理器、控製器、和軟件的概念一直沿用至今。阿達當年編製的軟件中的一些算法也被沿用至今，為了紀念這位計算機和軟件先驅，美國軍方發明的一種計算機語言就是以她的名字阿達命名的。

盡管巴貝茲的理想中的計算機未能正式問世，但他為後人留下了一份極為寶貴的遺產，那是數十種十分超前的設計方案，和麵對困難不屈不撓的精神。

阿達·奧古斯塔

現代電子計算機的發展由幾個組成部分：一是計算機理論，即計算機的可能性，以及計算機功能的界限；二是基礎器件，即最小的計算器件，或者說最小的物理操作步驟，如今通用的最小計算器件是晶體管，它是一個最簡單的開關電路；三是電路設計，即如何用晶體管開關電路實現邏輯功能；四是人機界麵，即操作係統；然後是應用軟件，即計算機語言和應用程序。

巴貝茲                                    巴貝茲的差分機

1847年，英國數學家布爾(George Boole)發表了數值邏輯的奠基性著作《邏輯的數學分析》(The Mathematical Analysis of Logic)。數值邏輯從此成了一門精確的數學學科。1854年，布爾發表了名著《思維規律的研究——邏輯與概率的數學基礎》(The Laws of Thoughts)，創立了一門全新的學科－布爾代數(Boolean Algebra)，它是數字計算機設計中開關電路設計的數學方法和理論基礎。

真正把布爾代數應用到電路設計上來，要到1938年。這一年，麻省理工(MIT)的年輕教授克勞德·艾爾伍德·香農(Claude Elwood Shannon)發表了他的碩士論文《繼電器和開關電路的符號分析》(A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits)，他把開關電路建立在布爾代數的基礎上，證明了繼電器這一簡單的開關電路可以實現所有以布爾代數為基礎的邏輯運算，並給出了實現四則運算的電路設計。該論文是為開關與邏輯電路理論和設計的開山之作。

1895年，英國工程師弗萊明(John Ambrose Fleming)利用愛迪生效應發明了真空管。從此，人類進入了微電子時代。1912年，美國發明家德·福雷斯特(Lee de Forest)在加州的帕洛·阿托(Palo Alto)市發現了真空管的放大作用，為電子工業奠定了基礎。1913年，麻省理工的教授萬尼伐爾·布什(Vannevar Bush)製造出了第一台模擬式計算機微分分析儀。該計算機靠電機驅動，並利用齒輪轉動的角度來進行模擬計算。

1936年11月12日，阿蘭·圖靈(Alan Turing)發表了計算機理論的奠基性論文《論可計算數及其在判定問題中的應用》(On Computable Numbers, with Application to the Entscheidungs Problem)。闡明了現代計算機理論，從理論上定義了現代通用計算機，可計算性等重要概念。為了模擬人的運算過程，圖靈指出一台能實現數字計算和邏輯判斷的機器必須具備以下功能：1.一條無限長的紙帶。紙帶分為一個個格子，每個格子裏有一個來自有限字母表的字母，字母表中有一個空白符號。紙帶上的格子被編號為0, 1, 2, ...，紙帶一端可以無限伸展。2.一個掃描器。掃描器能沿著紙帶移動，能讀出當前所在格子內的字母，並能改變該字母。3.一套控製規則。它根據圖靈機的當前狀態及當前掃描器讀出的字母來決定掃描器的下一步動作，並改變狀態寄存器中寄存的狀態，令圖靈機進入新狀態。4.一個狀態寄存器。它用來保存圖靈機的當前狀態。圖靈機的所有可能狀態的數目是有限的，並且有一個特殊狀態——停機狀態。滿足上麵這四個條件的機器就是有名的圖靈機。圖靈的這篇論文把奧地利數學家庫爾特·哥德爾(Kurt Godel)在1931年給出的不可能性定理，用圖靈機精確地表達了出來。

圖靈機每一部分都有限，隻是有一個無限長的紙帶，這是一個理想設備。圖靈認為這樣的一台機器就能模擬人類所能進行的任意計算過程。圖靈對計算機理論的重要貢獻之一是給出了停機問題，即數理邏輯中的可計算性問題。它問的是“能否判斷任意一個程序會在有限時間內結束運行”這樣一個問題。用數學語言來表示就是：給定一個程序P和輸入I, 程序P在輸入I下是否會停止？

1936年，圖靈證明了圖靈定理——不存在可以判斷停機問題的通用算法。證明給出了計算機和程序的純數學定義——圖靈機。圖靈定理告訴我們，停機問題在圖靈機上是不可判定問題。從數理邏輯的觀點來看，停機問題說的就是一階邏輯的不完備性。因此，圖靈機的本質是哥德爾不完備定理的另一種表述，圖靈機是哥德爾的以通用算術為基礎的一種形式語言。圖靈因其圖靈機和圖靈定理，被認為是計算機科學之父。

圖靈

1950年10月，圖靈發表一篇及其重要的論文《機器能思考嗎》(Computing Machinery and Intelligence)，提出了有名的圖靈測試(Turing Test)，為人工智能(artificial Intelligence)奠定了基礎，圖靈因此被後人尊為人工智能之父。在第一代電腦時代，這篇論文定義了第五代，第六代電腦。

圖靈不但在計算理論上為現代計算機奠定了基礎，他在二戰期間還為英國的軍事情報局六處(MI-6)，製造了一台名為“巨人”(bombe)的計算機。並用該計算機破譯了德國的軍事密碼ENIGMA，後人對此的評價是，圖靈的破譯使盟國提前了二年到四年結束了二戰，同時為盟國避免了1400萬到2100萬人的死亡。

1954年6月8日。圖靈這位數學和計算機天才吃了一隻含氰化鉀的蘋果自殺了。圖靈是一個同性戀，當年同性戀在英國是違法的，他會因此坐牢。傳說喬布斯為他的計算機公司起名蘋果，就是為了紀念圖靈，蘋果公司商標上的那隻被咬了一口的蘋果是指圖靈之死。此說並無根據，喬布斯曾出麵否認。美國計算機協會為了紀念這位傑出的數學與計算機天才設立了圖靈獎。每年，美國計算機協會要選出曾在計算機領域做出過傑出貢獻的人為圖靈獎獲得者。圖靈獎是計算機界的最高獎項。

圖靈機

第一台電子計算機的發明人是美國人約翰·文森特·阿塔那索夫(John Atanasoff)。他是名副其實的“電子計算機之父”。阿塔那索夫是愛阿華州立大學(Iowa State University)物理係教授。阿塔那索夫和他的研究生克利福特·貝瑞(Clifford  Berry)於1939年10月研製了人類第一台電子計算機。阿塔那索夫把這台機器命名為ABC(Atanasoff-Berry-Computer)，其中，A、B分別取倆人姓氏的第一個字母，C為計算機的第一個字母。該計算機為衣阿華州立大學的教授和研究生們做出了很多微分方程的數值解。阿塔那索夫和貝瑞離開衣阿華州立大學前，他們製作了兩台可以運行的ABC計算機。

ABC是第一台現代電子計算機，阿塔那索夫在設計這台計算機時，提出了三個非常重要的設計理念：以二進製邏輯來實現數字運算，以保證精度；利用電子技術來實現控製、邏輯運算、算術運算，以保證計算速度；采用把計算功能和二進製數更新存貯的功能相分離的結構。後來，控製論之父維納在此基礎上提出了計算機五原則：計算機必須是數字式的；以電子器件為主；采用二進製；內部存放計算表；在計算機內部存貯數據。這些理念直到現在仍然是設計計算機的基本理念。

這兩台ABC計算機存放在衣阿華州立大學物理係的儲存室裏，很快被人遺忘了。1946年，兩台計算機的零件被拆下來移作它用，隻有存儲器留了下來。衣阿華州立大學沒有為ABC計算機申請專利，這是後來發明權之爭的根源。阿塔那索夫的電子計算機之父稱號，不是因為他的發明在當時為人們所接受，而是法院作出的判決。阿塔那索夫和著名的ENIAC計算機的發明人莫奇利(John Mauchly)和埃科特(John Eckert)，為了誰是第一台電子計算機的發明人，打了一場有名的官司，法院開庭了135次。1973年10月19日，法院宣布：“莫奇利和埃科特沒有發明第一台電子計算機，他們隻是利用了阿塔那索夫發明中的構思。”阿塔那索夫早在1941年，就把他的電子計算機的設想告訴過ENIAC的發明人莫奇利。莫奇利曾參觀過阿塔那索夫在衣阿華州立大學物理係的計算機實驗室。

在1934年，德國人朱斯(Konrad Zuse)也開始製造計算機。1938年，他完成了Z-1號機械計算機，其速度與可靠性都很差。1941年，朱斯製造出了一台電子計算機——Z-3電子計算機，這是第一台可編程的電子計算機。可處理7位指數、14位小數。使用大量的真空管。每秒種能做3到4次加法運算，一次乘法需要3到5秒。

1940年代，哈佛大學物理係的霍德華·艾肯(Howard Aiken)也在考慮設計通用的計算機。當時IBM的總經理沃森(Thomas Watson Jr.)極具慧眼，資助了艾肯的設想。1944年，艾肯研製出了MARK-1號計算機，它有15萬個元件和800公裏的電線，每秒鍾能進行200次以上運算。女數學家格雷斯·霍波(Grace Hopper)為它編製了計算程序，該計算機能解微分方程。MARK-1號的問世實現了巴貝茲的夙願，也是自帕斯卡計算機問世以來機械和電動計算機的最高水平。

同一時期，貝爾電話實驗室的科學家斯蒂比茨(George Stibitz)領導的一個研究小組也在研製繼電器式計算機。1940年，他們製造出了複數計算機(Complex Number Calculator)，主要用於複數計算。人們對它的運算能力很滿意，但它是專用機，不是通用機。1944年起，斯蒂比茨的小組又花了三年時間建造了類似的通用機。1946年，CNC正式運轉，性能很好，是現代多處理機的始祖。

1940年9月，貝爾實驗室在達特默思大學(Dartmouth College)演示M—1型機。他們把校園內的M—1型機和電報線相連，當場把一個數學問題解了出來並傳輸到了紐約，這是人類首次實現用計算機進行遠程控製的夢想。

任何時代，軍事科研總是走在時代的最前麵。電子計算機的研發也是如此。二戰爆發後，為了計算火炮彈道，需要實時計算工具。當時人們已經生產具有記數、計算、傳輸、存儲、控製功能的電子器件了，電子計算機也應運而生。1946年，賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的埃克特等人在ABC的啟發下，研製出了那台有名的電子計算機——埃尼阿克(ENIAC)。它有17,468隻真空管，7200多個二極管，70,000多個電阻，10,000多隻電容器和6000多隻繼電器，50多萬個焊接點，機器被安裝在一排2.75米高的金屬櫃子中，占地麵積170平方米左右，重30噸，運算速度每秒鍾5000次加法，能在3/1000秒時間內完成兩個10位數乘法。當時最快的計算機做40點彈道計算，需要兩小時，埃尼阿克隻需3秒鍾，實乃奇跡。埃尼阿克並不完善，它沒有存儲器，隻有寄存器，僅能寄存10個數碼。而且耗電驚人，當時的一個笑話說，隻要它一開機，整個費城的路燈都會變暗。計算機界有名的“debug”一詞也來自埃尼阿克，因為埃尼阿克中的電線常被蟲子(bug)咬斷，檢修人員常常要到機器裏去查找被咬斷的電線，再把它接上，於是尋錯就被“debug”一詞取代。盡管埃尼阿克很簡陋，但是它象征著第一代電子計算機的誕生。

1945年，時任美國國家科技政策和資源掌門人的布什，發表了一篇影響了幾代人的著名文章《如果我們這樣思考》(As We May Think)。布什在論文中預言了計算機的未來，未來的計算機不僅是計算工具，也是人們的信息處理工具，即人腦的輔助工具。論文指出，未來的計算機能幫助人們做一切人腦能做的事情：思考、推理、計算、儲存信息、處理信息、共享信息。

1948年6月10日，香農在《貝爾係統技術雜誌》(Bell System Technical Journal)上發表了著名論文《通訊的數學原理》(A Mathematical Theory of Communication)。一年後，他又發表了另一著名論文《加密的通信》(Communication Theory of Secrecy Systems)。這兩篇論文闡述了通信的基本問題，給出了通信係統模型，提出了信息量的數學表達式，並解決了信息通道容量、信息源的統計特性、信息源編碼、信息通道編碼等一係列基本技術問題。這兩篇論文成是信息論的奠基性著作。

至今，電子計算機已有了70年的曆史。在工藝上，它經曆了四代，第一代是真空管計算機，第二代是晶體管計算機，第三代是集成電路計算機，第四代是大規模集成電路計算機。

盡管，這一時期代表計算機最高水平的是以真空管為組件的埃尼阿克，但是，現代電子計算機的最重要的組成部分都已經有了。關於計算機理論、計算機的可能性、以及計算機功能的界限我們有了圖靈的理論。而計算機的基礎器件，即真空管也已經成熟了，盡管它還很慢，但是已經遠勝機械設備了。而實現邏輯功能的基礎電路經由香農的理論打好了基礎，香農的那些開關電路可以實現任何邏輯功能。操作係統和應用軟件隻是剛剛起步。這些最初的努力為後來的第三次工業革命奠定了堅實的基礎。在今後的日子裏，由於半導體集成電路的發明，電子計算機的功能呈指數式的發展。它徹底地改變了我們的生活方式，成為我們今天生活中須臾不能離開的東西了。