早期計(jì)算都經(jīng)歷了什么？20世紀(jì)初，像制表機(jī)這樣有特定用途的設(shè)備，代替了人工操作。

20世紀(jì)上半葉，世界人口幾乎翻一翻，全球也開(kāi)始進(jìn)行貿(mào)易和運(yùn)輸，這就使得人們對(duì)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)的需求日益增長(zhǎng)，而從開(kāi)始的算盤(pán)到需要花費(fèi)巨資來(lái)維護(hù)的龐然大物，為未來(lái)的計(jì)算機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ) "bug" 從何而來(lái)

哈佛馬克1號(hào)（Harvard Mark I）于1944年在第二次世界大戰(zhàn)中由 IBM 作為同盟國(guó)而建造，它是最大的電子計(jì)算機(jī)之一。

其中組件765000個(gè)，連接點(diǎn)3百萬(wàn)個(gè)，導(dǎo)線長(zhǎng)度500英里，為了保持內(nèi)部機(jī)械裝置同步，還用了5馬力功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)50英尺長(zhǎng)的傳動(dòng)軸。

這臺(tái)機(jī)器的核心部件是繼電器，在繼電器內(nèi)部，有根決定電路是否閉合的控制線，控制線連著繼電器里的線圈，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，在電磁場(chǎng)的作用下，繼電器吸合。

繼電器工作原理

哈佛馬克1號(hào)做加減法每秒3次，乘法每6秒1次，除法每15秒1次，三角函數(shù)之類的可能會(huì)超過(guò)1分鐘。

除了速度慢，還有機(jī)械磨損，任何會(huì)動(dòng)的機(jī)器都有機(jī)械磨損，如果有齒輪壞了，速度會(huì)更慢，進(jìn)而影響工作效率。

那現(xiàn)在咱們來(lái)討論一下繼電器，哈佛馬克1號(hào)上有大約3500個(gè)繼電器，假設(shè)一個(gè)繼電器的機(jī)械壽命是10年，平均一下，每天就得換掉一個(gè)故障繼電器，如果是需要運(yùn)行很多天的重要計(jì)算，這將是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題。

這些機(jī)器不僅體積大，散熱厲害，而且會(huì)吸引蟲(chóng)子，1947年9月，哈佛馬克2號(hào)（Harvard Mark II）的操作員從故障機(jī)器中取出了一只死掉的飛蛾，從那時(shí)起當(dāng)電腦一出現(xiàn)問(wèn)題，人們就會(huì)說(shuō)里面有只蟲(chóng)子（bug），這就是計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ) "bug" 的來(lái)源。

如果想進(jìn)一步推進(jìn)計(jì)算能力，那就得找更快更可靠的東西代替繼電器。

二、從真空管到第一臺(tái)可編程通用電子計(jì)算機(jī)

真空管工作原理

1904年英國(guó)物理學(xué)家，約翰·安布羅斯·弗萊明開(kāi)發(fā)了一種全新的電子部件叫“熱電子管”，也是世上第一個(gè)真空管。

在真空管里放2個(gè)電極，通過(guò)加熱一個(gè)電極使其發(fā)射電子，稱為“熱電子發(fā)射”，另一個(gè)電極吸引這些電子，形成電流，這些移動(dòng)的電子都帶有正電荷，這種只允許電流單向移動(dòng)的器件叫二極管。

三極管工作原理

1906年，美國(guó)發(fā)明家李·德富雷斯特參考弗萊明的設(shè)計(jì)，在兩個(gè)電極之間加入第三個(gè)“控制”電極，向控制電極施加正電荷使電子移動(dòng)，向控制電極施加負(fù)電荷阻止電子移動(dòng)，這種可以通過(guò)“控制”電極來(lái)閉合/斷開(kāi)電路的器件叫三極管。

它和繼電器的功能基本一樣，不同的是，真空管內(nèi)沒(méi)有部件，極大的減少了磨損，而且開(kāi)關(guān)次數(shù)可以達(dá)到每秒千次。

20世紀(jì)40年代，真空管才使用在計(jì)算機(jī)中，這也標(biāo)志著人們開(kāi)始從機(jī)械計(jì)算進(jìn)入電子計(jì)算時(shí)代。

第一次大規(guī)模使用真空管是在工程師Tommy Flowers設(shè)計(jì)的Colossus Mk 1上，它完工于1943年12月，用來(lái)幫助解密納粹通信。

第一版的Colossus有1,600個(gè)真空管，也是第一個(gè)可編程的電子計(jì)算機(jī)，編程方法是把幾百根電線插到插板里，使計(jì)算機(jī)執(zhí)行正確的操作，雖然它“可編程”，但還是需要人工設(shè)置才能執(zhí)行特定的計(jì)算。

1946年，在賓夕法尼亞大學(xué)，John Mauchly和J. Presper Eckert設(shè)計(jì)的電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī) "ENIAC"成功出世，是世上第一臺(tái)通用“可編程”的“電子”計(jì)算機(jī)。

它每秒可執(zhí)行5000次十位數(shù)加減法，據(jù)估計(jì)，它的運(yùn)算量超過(guò)了全人類有史以來(lái)的所有運(yùn)算。

直到1950年，真空管的計(jì)算已經(jīng)被運(yùn)用到了極限。

三、從晶體管的誕生到計(jì)算機(jī)步入人類生活

為了降低計(jì)算機(jī)的成本，減小尺寸，更進(jìn)一步提高可靠性和計(jì)算速度，貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley于1947年發(fā)明了全新的電子開(kāi)關(guān)——晶體管，它的出現(xiàn)標(biāo)志著一個(gè)全新的計(jì)算時(shí)代的誕生！

晶體管工作原理

晶體管就是一個(gè)開(kāi)關(guān)，它是由導(dǎo)電材料隔開(kāi)的兩個(gè)電極組成，這些材料會(huì)在一定條件下導(dǎo)電或不導(dǎo)電，因此稱之為半導(dǎo)體。

晶體管與真空管不同，它是固態(tài)組件，體積可以做到比世上最小的繼電器和真空管還要小，這也為后來(lái)更小更便宜的計(jì)算機(jī)打下了基礎(chǔ)。

1957年發(fā)行的IBM 608就是第一個(gè)用晶體管供電，可以在市面上買(mǎi)得到的計(jì)算機(jī)。它有3000個(gè)晶體管，每秒可執(zhí)行4500次加法或每秒大約80次乘除法。

晶體管的誕生使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入辦公室，并不斷普及至家庭。

現(xiàn)如今，計(jì)算機(jī)里的晶體管可以做到尺寸小于50納米，速度可以達(dá)到每秒切換數(shù)百萬(wàn)次，使用壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年。

我們從繼電器到真空管，再到晶體管，不斷讓開(kāi)關(guān)電路的速度變得更快，但我們又是怎么用晶體管來(lái)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算呢？我們明天再聊。