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电子计算机:巴比奇、莫克莱、冯·诺伊曼

让机器从事数学运算,从而制造计算机,并不是从20世纪才开始的。17世纪法国数学家、物理学家、哲学家帕斯卡曾造出一台能进行加减法运算的手动计算机。他意识到计算机的深远意义,在《思想录》中写道:“数学机器得出的结果,要比动物所做出的一切更接近于思想。”德国数学家、哲学家莱布尼茨也是计算机研制的重要先驱。

18世纪出现了一股研制计算机的热潮,但造出的都不是自动计算机。它们与中国古代的算筹及算盘并没有质的区别。第一个提出自动计算机设计思想的是英国数学家巴比奇。1822年,他设计制造了一台差分机模型。这种机器不但每次能完成一个算术运算,而且可以自动完成一套运算。1834年,他借用提花机中穿孔卡片的自动控制功能,设计出一台分析机模型。由于当时技术条件的限制,巴比奇的模型没能最终实现,但他关于自动计算机的设计思想是现代计算机的先驱。

19世纪末期,由于电动技术的发展,计算机的动力方式得以改进。在美国统计局工作的工程师霍勒里斯为了应付繁重的人口统计工作,对手动机械计算机进行了改进,于1884年造出了第一台电动计算机。1890年,他又用电磁继电器部分替代机械元件控制穿孔卡片,造出了第一台机电式自动计算机。1941年,德国工程师苏泽全部使用继电器,造出了一台完全由程序控制的机电式计算机。美国科学家艾肯也于1944年和1946年造出了两台全继电器操作的计算机。它用穿孔卡片进行输入和输出,两个23位数的加减法只需0.3秒,而相乘则需6秒。

机电计算机在程序自动控制和数据存储方面,为计算机的进一步发展奠定了基础。但它的速度还是很慢,也容易出错。时间到了第二次世界大战后期,盟军与轴心国进入决战阶段,有许多新式武器为了提高命中率需进行大量的计算,而且要求在很短的时间内得出结果。这时,原有计算机的速度就特别不能令人满意。研制更高速的计算机迫在眉睫。电子计算机就是在这种情况下诞生的。

实际上,电子管一问世,有些目光敏锐的发明家和科学家就意识到它可以被用于制造计算机,因为它的开闭速度比继电器快1万倍,性能也可靠得多。而且它能被方便地控制,易于实现复杂的运算。因此,制造电子计算机几乎是与制造机电计算机同步进行的。只是由于电子技术本身还不成熟,加上找不到资助,一开始它的发展速度相对慢一些。

第一台电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫克莱成功研制的。第二次世界大战期间,他奉命为美国的阿伯丁试炮场制定火力表,每天用计算机不停地计算各种弹道,深感改进计算机之必要。1942年8月,他提出了试制电子计算机的爱尼阿克(ElectronicNumericalIntergratorandComputer,ENIAC,意即电子数值积分计算机)方案,次年得到空军方面的支持。6月,成立了由莫克莱和埃克特领导的莫尔研制小组。经过近3年的努力,花费了48万美元,终于在1945年年底制成了世界上第一台电子计算机。1946年2月15日举行了公开表演,1947年运往阿伯丁做科学计算。这台电子计算机,使用了1.8万个电子管,每秒能进行5000次加法运算,比当时最好的机电计算机快千倍。1949年,经过70小时的运算,它把圆周率π计算到了小数点后2037位,创造了当时远远超出笔算的成绩,显示了电子计算机的巨大优越性。1955年10月2日,“爱尼阿克”在运行10年后“退休”。据说,这期间它的运算量比人类有史以来全部大脑的运算量还多。

“爱尼阿克”计算机有一个最大的问题,即计算程序是外插型的,需要花很多时间先将程序准备好,这样大大影响了运算速度。这一弱点也正是机电计算机的弱点。1946年,美国数学家冯·诺伊曼提出了一个新的改进方案。这个被称为“爱达法克”(ElectronicDiscreteVariableAutoComputer,EDVAC,意即离散变量自动电子计算机)的方案主要有两大改进,一是用二进制代替十进制,进一步发挥电子元件的速度潜力,二是将“程序”本身当作数据存储起来,使运算的全过程均由电子自动控制,进一步提高运算速度。这两大改进是划时代的天才的发明,构成了迄今为止一切电子计算机的原型。“爱达法克”机也称冯·诺伊曼机,又称通用计算机。许多科学史家相信,冯·诺伊曼模型是可以与夸克模型、宇宙大爆炸模型、DNA双螺旋模型、大地板块模型相并列的20世纪第五大科学模型。

“爱达法克”方案提出之时,“爱尼阿克”已经上马,难以半途而废,所以“爱达法克”最终建成是在1952年。但是冯·诺伊曼方案红杏出墙,在英国率先结果。1949年5月,第一台冯·诺伊曼机“爱达赛克”(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator,EDSAC)在英国剑桥大学试制成功。以莫里斯·威尔克斯为首的剑桥数学实验室,利用水银传声延迟线做存储器,首次实现了冯·诺伊曼的存储程序计算机方案。从此以后,电子计算机进入了工业生产阶段,世界各国相继推出了自己的电子管计算机。我国在20世纪50年代末也造出了第一台电子计算机。

随着电子技术的发展,计算机也出现了数次较重大的变革。电子真空管计算机是第一代,晶体管计算机是第二代,集成电路和大规模集成电路计算机则为第三代和第四代。

“爱尼阿克”体积大、重量大、功耗大,乍一看,根本就不像是一台机器,而像是一个大车间。这个车间里共配备有18000个真空管(电子管),1500个继电器,70000个电阻器,10000个电容器,总重量达30吨。冯·诺伊曼的改革方案也没有解决这些问题。

晶体管问世后,马上被用于研制新一代的电子计算机。1956年,麻省理工学院研制出了第一台晶体管电脑TX-O(TransistorizedExperimentalComputer),即“晶体管试验电脑”。大致同时,发明晶体管的贝尔实验室也做出了自己的晶体管电脑。1959年,较早开始计算机生产的美国IBM(国际商用机器)公司推出了第一代晶体管电脑IBM1620和第二代IBM1790。这些电脑的运算速度比第一代高两个数量级,达每秒几十万次。1961年,IBM公司生产了一台大型的电子计算机,使用了169000支晶体管,运算速度达每秒百万次。

由集成电路和大型集成电路组成的第三代和第四代电子计算机,其速度更快、存储量更大、体积更小、价格更低。1996年,宾夕法尼亚大学为了庆祝第一台计算机“爱尼阿克”诞生50周年,把当年的电脑在一块芯片上完全复原了。这块芯片只有7.44毫米×5.29毫米大,却集成了174569个晶体管,完全具备从前30吨重的“爱尼阿克”的功能。

1964年4月7日,IBM公司生产的“360型系统计算机”标志着第三代计算机的诞生。为了研制和开发这个系列的计算机,该公司历时5年,耗资50亿美元,超过了美国研制第一颗原子弹的曼哈顿计划。它的速度达到了每秒千万次,内存量达几百K。这种新型电脑的划时代意义还在于其通用性和标准化。从前的电脑都是专门从事某一方面工作的“专家”,这台机器的程序在另一台机器上就不能使用。IBM的新型电脑引入了“兼容”概念,使任何一台电脑既能做专业的科学计算,也能从事商业数据处理。

1968年,高登·摩尔和罗伯特·诺伊斯离开了他们亲手创办的仙童公司,成立了另一家名叫“集成电子”(IntegratedElectronics)的公司。这个公司就是今日享誉世界的“英特尔”(Intel)公司。从20世纪50年代中叶开始,加利福尼亚州旧金山南部的一条狭长地带逐步兴盛起来。这里北接著名的斯坦福大学,本来是斯坦福的工业园区。越来越多的电脑生产车间拔地而起。先是IBM和惠普公司,再后来,越来越多的电脑公司来这里置地买房,创立基业。今天,这里成了电脑业的圣地。它就是闻名遐迩的“硅谷”。

硅谷的发展也许与晶体管之父肖克莱有关。这里本来是肖克莱的故乡。1955年,肖克莱从贝尔实验室回到故里,创办了肖克莱半导体公司。1956年肖克莱获诺贝尔物理学奖之后,一大批有才华的青年电子工程人员被吸引到他的公司里来。1957年,从肖克莱的公司里跑出了8个人组建了仙童公司。1968年,仙童公司的老板自炒鱿鱼,成立英特尔公司。据统计,在硅谷的大小老板大多数都在仙童工作过。如此算来,硅谷的创业者们或多或少都与肖克莱攀得上徒子徒孙关系。

1969年7月,IBM宣布电脑产品不再像从前那样分为电子元件、硬体设备、外部设置、操作系统和程序,而是分为硬件和软件两大类,两类产品各自计价。

1969年,英特尔开发出了容量为1KB的动态随机存储芯片,宣告了过去磁芯存储器的终结。1971年11月,英特尔公司推出了世界上第一个微处理器(Microprocessor)“英特尔4004芯片”。上面集成了2250个晶体管,每个晶体管之间的距离是10微米,每秒运算量为6万次,售价200美元。次年,英特尔又推出了8008微处理器芯片。这两个芯片的问世,标志着微电子时代的真正到来。

1974年,英特尔推出了著名的8080微处理芯片,其功能是8008的10倍,售价360美元。正是这个芯片敲开了个人电脑时代的大门。当年,美国的微型仪器和遥感系统公司(MicroInstrumentationandTelemetryCompany,MITS)就使用8080微处理芯片推出了“牛郎星8800”电脑。新电脑一上市就获得了巨大成功。

但是,这台电脑只提供硬件不提供软件,程序需要用户自己来编。当时还是哈佛大学法律系二年级学生的比尔·盖茨和他的朋友保罗·艾伦见到牛郎星电脑的广告之后非常激动。他们从中学时起就是电脑迷,微型机出现后他们就想开发软件,但一直没有机会。这次机会是真的来了。比尔·盖茨从哈佛休学,开始同艾伦一起为牛郎星开发软件。1974年,两人决定成立一个微电脑软件公司,名字就叫“微软”(Micro-Soft)。

微处理芯片问世后,激起了一大批电脑“发烧友”自己组装电脑的热情。他们自发地组织起来,定期交流。在这群电脑发烧友中有两位怪才后来组建了自己的“苹果电脑公司”,他们是斯蒂夫·沃兹尼亚克和斯蒂夫·乔布斯。他们看着“牛郎星8800”卖得火热,决定也自己组装电脑。1976年4月1日,也就是西方的愚人节,他们宣布成立苹果公司,在一间废旧的车库里组装他们的“苹果1型”电脑。不久,英特尔公司原来负责销售的阿马斯·马克库拉加入了他们的阵营,于1977年1月正式注册成立“苹果公司”。4月,苹果公司推出了“苹果2型”电脑。这台电脑包括显示器、键盘和主机,支持多种语言,可用于商业管理、科学计算和数据处理等多方面,而售价只有1298美元。“苹果2型”电脑一问世就令整个电脑界震惊,订户蜂拥而至。此后,苹果公司的销售额以年增长700%的速度上升。1980年年底苹果公司上市时,第一天就由每股22美元上涨到29美元。苹果电脑的出世标志着“个人电脑”即所谓PC(PersonalComputer)时代的到来。

20世纪70年代以来,由于大规模集成电路的问世,微型计算机迅速发展起来。微机进入了各个生产环节,并开始向办公室和家庭渗透。1980年,全美电脑总数是100万台,到1984年,猛增至1000万台。1986年是3000万,1989年5000万台,全球电脑总数达1亿台。进入90年代,发达国家的个人电脑已经像彩色电视机一样普及。1996年,全世界大约有1亿7000万台个人电脑。个人电脑像潮水一样涌进千家万户,电脑不再是军事工业和大企业的专属品,也不再是“电脑发烧友”小圈子里摆弄的东西。它成了一种时尚消费品,也成了一种巨大的产业力量。电脑开始无声无息地改变人类的文化。

与微型机的发展同时,巨型机也取得了令人瞩目的成就。巨型机即超级计算机,专门用于数据量极大的科学计算。美国的西蒙·克雷是超极计算机之父。他于1957年创办CDC(控制数据公司),并担任CDC系列大型机的总设计师。1969年,CDC-7600每秒运算能力超过1000万次。1975年,克雷自己创办的克雷研究所推出“克雷1型”超级计算机,随即主宰了世界超级计算机市场。1983年,“克雷2型”机达到每秒10亿次浮点运算。1987年,“克雷IS型”达到14亿次。中国于1982年由国防科技大学研制出了每秒浮点运算达到1亿次的“银河1号”,1992年的“银河2号”达到10亿次。1995年,中国国家智能计算机中心推出“曙光1000”大规模并行机,每秒浮点运算速度为25亿次,1998年推出的“曙光2000-I”型机达到200亿次。20世纪90年代国际最先进的巨型机运算速度已超过万亿次。

自第一台电子计算机问世以来,计算机的发展速度大致是,平均每5年速度提高10倍,体积和成本降低10倍,这种发展势头至今仍未减弱。1981年,IBM使用英特尔的8088芯片、微软公司开发的MS-DOS操作系统,推出了“5150个人电脑”。1982年,IBM开发出了名叫IBMPC/XT的电脑,它采用了英特尔的80286芯片。当年,IBM个人电脑销售量突破20万台。1985年7月,英特尔公司推出了带27.5万个晶体管元件的80386微处理器,次年,康柏公司推出第一台386个人电脑。这台售价数千美元的电脑的性能,相当于70年代数万美元的小型机或60年代数十万美元的大型机的性能。1989年,英特尔发布带有120万个晶体管的486芯片。90年代,英特尔继续推出更高性能的微处理器,并统一注册命名为“奔腾”(Pentium)。CPU更新换代,未有穷期。

迄今为止,计算机已经历了四代,代与代之间依照电子元件区分:第一代是电子管(1946—1956),第二代是晶体管(1956—1965),第三代是集成电路(1965—1971),第四代是大规模集成电路(1971— )。四代电脑尽管在电子元件、速度和性能方面有很大的差别,但均属于冯·诺伊曼机的范畴。冯·诺伊曼机的一般特征是“存储程序”,机器按照线性顺序依次执行程序指令。程序的预先存储导致存储器与处理器相互独立,不断攀升的速度要求使得存储器与处理器之间的通道日益拥挤。人们一直在试图超越冯·诺伊曼模型,建立一个非线性化的、非存储程序的、存储器与处理器合二为一的新机型。据说,这将是第五代计算机的目标。此外,在电脑元件方面,人们正致力于开发与人脑神经网络相类似的超级大规模集成电路,即所谓的“分子芯片”。还有人建议用光子代替电子,开发“光子芯片”,这样可以使计算机的速度提高好几个量级。

电子计算机的出现使人类认识自然和改造自然的能力大大提高。由于它能模拟人脑的部分思维功能,使人的智力得以物化和放大,解决了从前只靠人的脑力根本无法解决的问题。依靠快速的运算能力,它能使气象预报建立在大量数据的统计分析基础之上;它可以模拟科学实验,节省财力、物力和人力;它证明了四色定理——这一定理的证明由于运算过于繁复,从前一直无人问津。

电脑智能的发展同时也给人类提出了新难题:电脑是否能够在智能上超过人类,从而成为一种人类无法控制的技术力量。1996年2月,世界第一国际象棋大师卡斯帕罗夫与IBM公司研制的“深蓝”(Deepblue)电脑对弈,最后以4比2获胜。然而次年5月,卡斯帕罗夫再次与改进了的“更深蓝”(Deeperblue)较量时,却以2.5比3.5战败。这一结局尽管还只是人机之间某种量上的比拼,但已显示了电脑无穷的潜力。

计算机的出现不仅在数学和科学技术研究方面发挥了智能作用,而且开辟了一个信息化时代,对人类社会的政治、经济、法律、教育等产生重大的影响。信息的传输、接受和处理过程是一个社会的基本运行方式之一,计算机在这方面具有高效能和通用性。它不仅准确迅速,而且对任何信息处理都敞开大门。难怪美国的未来学家托夫勒称电子计算机掀起了人类历史上的第三次浪潮。

在电脑发展史上,时代英雄像走马灯一样“你方唱罢我登场”。无数的电脑公司在电脑市场上沉浮。那些曾经红极一时但最后败下阵来的人,大多没有真正把握住信息时代的本质。他们总是把电脑的用途限制得很窄,没有意识到电脑本质上是一种个人化的信息处理机器。这里的信息处理包含了几乎无限广泛的可能空间,它可以是科学计算、数据处理、文字处理,也可以是图像处理、声音处理,以及一切能够被数字化的东西的处理。电脑铺天盖地的风行,意味着一个信息时代的来临。以比尔·盖茨为代表的软件产业成为电脑业的龙头产业,也表明一种新型的经济形态正在形成,这就是今日正被炒得沸沸扬扬的“知识经济”。

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