电子计算机的诞生

迈克尔·斯温保罗·弗雷伯格程邵荣

诗人拜伦和雪莱注意到了科学带来的变化。在一个多雨的夏日，他们两人在瑞士消磨时间，从而讨论人工生命和人工思维，想知道能否“制造一个生物的各个部分，把它们拼凑起来，给它一个体温”。当时在现场的玛丽·雪莱夫人记得这次讨论，并在她后来著名的小说《弗兰肯斯坦》中发展了这一主题。对于《蒸汽时代》的读者来说，玛丽·雪莱笔下的弗兰肯斯坦实在令人毛骨悚然。

蒸汽朋克电脑

1833年，英国数学家、天文学家和发明家查尔斯·巴贝奇谈到用蒸汽驱动计算，并真正开始设计这样的机器。贝基声称，如果制造出这种机器，它可以将计算甚至思维机械化。

贝基有一个《科学纪事报》的同事，也是他的赞助人，奥古斯塔·艾达·拜伦。她是诗人拜伦的女儿。艾达·拜伦既是作家又是业余数学家。因此，她能够通过文章和论文向受过高等教育的公众和英国贵族中的潜在赞助人解释巴贝奇的想法。此外，她还写了很多文章介绍巴贝奇的分析机是如何解决高等数学问题的。由于艾达·拜伦的所作所为，许多人把她视为世界上第一位计算机程序员。80年代初，美国国防部以她的名字命名Ada编程语言，以肯定Ada对计算机编程的贡献。

从巴贝奇的设计来看，分析仪是一个巨大、嘈杂、昂贵、漂亮、闪亮的大家伙，由黄铜和钢制成。数字存储在由齿轮组成的寄存器中，数字的相加和转移由凸轮和棘轮的操作完成。根据设计，分析仪可以存储1000个数字，每个数字最多有50位。内置内存容量现在称为机器的内存大小。按照今天的标准，巴贝奇的分析机可以以龟速运行——它不能在一秒钟内完成一次加法运算，但事实上它的内存比20世纪四五十年代第一批可用的计算机和70年代早期的微型计算机都要大。

虽然巴贝奇为分析仪设计了三个详细的方案，但他从未建造过这台机器。1991年，伦敦科学博物馆负责计算的高级策展人多伦·斯沃德(Doren Sward)用巴贝奇那个时代拥有的技术、工艺和材料制造了巴贝奇的差分机。斯沃德的成功揭示了巴贝奇生活中讽刺的一面。巴贝奇早在别人做出同样尝试的100多年前就已经成功设计了一台计算机，但他之所以无法实现自己的梦想，是因为他无法筹集到足够的资金，而这多半是因为他与那些能够提供资金的人疏远了。

如果巴贝奇能机智一点，或者奥古斯塔·爱达·拜伦更有钱一点，恐怕狄更斯笔下的伦敦会有这么一台巨大的蒸汽电脑来帮现实生活中的一些老吝啬鬼算账，或者也许蒸汽电脑会和查尔斯达尔文下棋。但正如玛丽·雪莱所预言的，制造会思考的机器的关键是电。

一台计算机。

美国逻辑学家查尔斯·皮尔斯(Charles Pierce)通过教授英国数学家乔治·布尔(george boole)的著作，将符号逻辑从大西洋彼岸带到了美国。在这个过程中，皮尔斯从根本上重新定义并极大地丰富了布尔代数。布尔以一种无可争议的方式整合了逻辑和数学，而皮尔斯可能在19世纪中期最了解布尔代数。

20世纪80年代，皮尔斯发现布尔代数可以用来模拟电气开关电路。布尔逻辑的真/假完全映射了流经复杂电路的电流的开/关方式。换句话说，逻辑可以用电路来表示。这意味着电驱动的计算机和逻辑机可以被构造出来。它们不仅仅是小说家的'空想法，它们可能会实现，而且最终会实现。

皮尔斯有个学生叫艾伦·马昆德。1885年，他真的设计出了能够进行简单逻辑运算的电逻辑机，但他还是没有造出来。皮尔斯用来解释如何模拟布尔代数的开关电路是计算机的基本部分。这种设备的独特之处在于它可以管理信息，这与电流或机车完全不同。

机械开关由电路代替，从而计算设备的体积可以变得更小。事实上，第一台电子逻辑机是本杰明·布莱克设计制造的便携式设备，它的尺寸小到可以放进公文包。这台Braque逻辑机是1936年制造的，可以用来处理三段论形式的逻辑语句。比如“一个人终有一死；苏格拉底是男人”被编程进机器，逻辑机器可以接受“苏格拉底终将死去”的推论，拒绝“苏格拉底是女人”的推论。后一种错误推理会使回路闭合，并触发机器的警示灯，表示发生了逻辑错误。

Braque逻辑机是一种功能有限的特殊机器。但当时出来的专用计算设备，大多是用来处理数字问题，而不是逻辑问题。早在皮尔斯还在研究逻辑和电之间的关系时，赫尔曼·霍尔瑞斯就在设计一个制表器来计算1890年的美国人口普查。

霍勒斯的公司最终被一家公司合并，这家公司后来改名为国际商业机器公司(IBM)。

计算机的诞生

克劳德·香农(Claude shannon)在麻省理工的博士论文中解释了如何利用功率开关电路模拟布尔逻辑(查尔斯·皮尔斯(Charles Pierce)在50年前就预言了)。受这篇论文的启发，IBM高管在20世纪30年代同意花钱建造一台基于机电继电器的大型计算机器。他们给了哈佛大学教授霍华德·艾肯(howard aiken)当时一笔相当可观的资金——50万美元，用于开发Mark I，这是一种受巴贝奇的分析机启发的计算设备。贝基设计的是一个纯粹的机械装置。相比之下，Mark I是一个电动机械装置，用继电器作为开关，继电器阵列作为数字存储空室。

电力驱动正在为电子驱动让路。当其他人用继电器取代蒸汽驱动的巴贝奇机器时，爱荷华州立大学数学和物理学教授约翰·阿塔纳索夫(john atanasoff)看到了用电子元件取代继电器的可能性。在美国加入第二次世界大战前不久，阿塔纳索夫在克利福德·贝里的帮助下设计了美国广播公司。ABC是阿塔纳索夫-贝里计算机的首字母缩写。这个设备的开关器件不是继电器，而是真空管。

这台开关柜的升级是一次技术飞跃。理论上，以真空晶体管为开关元件的机器比继电器机器速度更快，效率更高。但是ABC和巴贝奇的分析机器一样，没能问世，可能是因为阿塔纳索夫筹集的资金不足7000美元，远远不够建造这台机器。然而，阿塔纳索夫和贝里组装了一个简单的原型。他们用许多电线和true 空电子管拼出了一个粗糙的桌面计算器。通过使用true 空晶体管作为开关元件，atanasoff极大地推动了计算机技术的发展。与继电器开关相比，true 空晶体管的高效率使计算机的出现成为现实。

true 空管是一种从中抽取空气体的玻璃管。托马斯·爱迪生发现电子在一定条件下可以在truth 空中流动，而李德·福里斯特利用“爱迪生效应”最终将truth 空控制成一个电子开关。20世纪50年代，真空管被广泛应用于电视机、电脑等电子设备中。如今，我们仍然可以看到使用显像管的电脑显示器或电视屏幕。

到了20世纪30年代，计算机的诞生是理所当然的事情。看来电脑注定是又贵又大的专用设备。体积大价格高的问题几十年后解决了，但打破单一使用的点在当时就提上了日程。

英国数学家艾伦·图灵(Alan turing)曾经设想过这样一种机器，它的目的只有一个，就是读取能够描述一项任务的编码指令，并根据指令自行完成任务。这个想法在当时是闻所未闻的。如果一台机器真的能完成说明书中描述的所有任务，那么它就是一台真正的万能设备。或许在图灵之前没有人有如此宏大的构想。但在10年内，图灵的想法变成了现实。那些指令变成了程序，图灵的想法在另一位数学家约翰·冯·诺依曼的手中变成了通用计算机。

第二次世界大战期间，将计算机变成现实的大部分工作都是在秘密实验室里进行的。这就是图灵的工作方式。1943年，美国费城摩尔电气工程学院的约翰·莫克利和约翰·埃克提出了一个关于计算机的想法。不久，他们开始与美国军方合作开发电子数字积分计算机(ENIAC)。一旦成功，它将成为第一台全电子数字计算机。除了用于信息输入输出的外围设备，ENIAC是纯实空管机。

ENIAC的发明应该归功于谁，这一直是有争议的。ENIAC可能是根据莫奇里与阿塔纳索夫会面后形成的想法设计的，但至少ENIAC是真实存在的。莫利和埃克特吸引了许多天才数学家加入ENIAC，包括才华横溢的约翰·冯·诺依曼。冯·诺依曼加入了ENIAC项目，为ENIAC的建设做出了很多贡献。他还提供了一个更复杂的电子离散变量自动计算机(EDVAC)的基本思想。人们对冯·诺依曼的贡献也被大量报道。

冯·诺依曼把更多的电气工程研究所的重点从技术方面转移到逻辑方面。在他看来，EDVAC不仅仅是一个用于计算的设备。冯·诺依曼认为，除了算术运算，EDVAC应该还能进行逻辑运算，用代码符号进行操作，而那些用代码符号进行运算和解释的指令，本身就应该是编程到机器中用来继续运算的代码符号。这是现代计算机概念的最后一个基本观点。冯·诺依曼规定EDVAC应该能够根据指令编写程序，这些指令本身作为数据输入计算机，这就为存储程序计算机创造了一个标准。

1945年5月以后，冯·诺依曼提出了把ENIAC变成像EDVAC一样的可编程计算机的方法，阿黛尔·戈尔茨坦编写了一种可以使机器更容易操作的语言(包括55种运算)。从那以后，再也没有人以原来的操作模式运行ENIAC了。

1946年初，ENIAC被开发出来，其运行速度比中继计算机快1000倍。尽管是一台电子计算机，ENIAC运行时仍会发出嘎嘎声。ENIAC是一个满是滴答作响的电传打字机、旋转的磁带机和相对安静的电子电路板的房间。ENIAC有2万个开关元件，重约30吨，耗电150千瓦。尽管ENIAC功能强大，但它一次只能处理20位十进制数字。然而，在完全制造出来之前，它已经投入了巨大的使用。1945年，ENIAC被用于计算美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的原子弹试验。

二战结束后，那些秘密实验室开始解密他们的工作成果和设计，于是出现了一个新的行业。计算机制造立即成为一门生意。此时，在Mark I项目失望之后，IBM高管重整旗鼓，开始制造通用计算机。不久，IBM成为行业领导者。

然而，很快，一种新型计算机在20世纪60年代出现了。与以前的电脑相比，这种电脑更小更便宜。在生产微型计算机的公司中，最著名的是波士顿的DEC公司和加州帕洛阿尔托的惠普公司。这些公司当时生产的计算机是图灵和冯·诺依曼所指的通用计算机。它们更小、更高效、更强大。不久之后，计算机的核心技术取得了重大突破，使计算机在功能、效率和小型化方面取得了惊人的发展。

(摘自《硅谷之火:个人电脑的诞生与衰落》(第3版)，人民邮电出版社)