电脑是啥时候发明的

Posted 2023-02-25

参考技术A 电脑技术的兴起

在第三次工业革命的三大主体技术中，电脑技术是对当代世界影响最大的技术领域。虽然电脑技术的兴起在时间上略晚于核能技术，但由于电脑技术比核能技术所产生的革命影响更为广泛、更为深远，因此电脑技术的兴起不仅成为第三次工业革命兴起的主要技术标志，而且成为整个现代科学技术发展的主要技术标志。

一、计算机发展的由来

电脑技术的兴起虽然始自于20世纪40年代中期，但它的技术基础和科学基础的形成却经历了漫长的历史年代。
首先，就其技术基础而言，在第一代电子计算机尚未发明之前，电子计算机的发明所必经的自动机械，计算工具和电子技术这三大技术基础已相继形成。
在自动机械方面，中国早在古代即有指南车、记里车、水运仪象、提花织机等机械技术发明。特别是提花织机技术的西传，曾对西方的自动机械技术的发展产生过直接影响。19世纪30年代初，法国发明家雅卡尔(J.M.Jacgnard 1752～1834)发明了近代提花织机。而英国数学家拜比吉所以能在19世纪中期提出他的新的机械计算机的设计，正是他把雅卡尔的提花织机的穿孔卡片自动控制技术引入其设计的结果。此后，这种源于提花织机的穿孔卡片自动控制技术即被成功地用于机电式计算机之中。
在计算机工具方面，早期的计算机工具已相继经历了机械计算器、机械计算机、机电计算机这样三个前后相继的历史发展阶段。
机械计算器是计算工具的孕育阶段。中国元末发明的算盘，既具有运算器的功能，又具有存贮器的功能，因此可以说是这一阶段的一种典型的机械计算器。
机械计算机是计算工具的成形阶段。在这一阶段，法国数学家什卡(Schlckarg 1592～1635)于1623年，法国数学家巴斯卡(B.Pascal 1623～1662)于1642年，都曾分别发明过可进行加减运算的机械计算机。此后，德国数学家莱布尼茨在研究巴斯卡计算机时，最先提出了把二进制用于计算机的设想。但在莱布尼茨以后，机械计算机的研制一直处于沉寂状态。直到进入19世纪以后，英国杰出数学家拜比吉(C．Babbage 1792～1871)才再度开始进行机械计算机的研究。由于历史条件的限制，拜比吉研制的分析机虽然未能取得完全成功，但拜比吉的设计思想却为后来机电式计算机的兴起奠定了技术基础。
机电式计算机是计算工具的发展阶段。19世纪末，由于电力技术的发展和继电元件的发明，使计算工具开始从机械式计算机向机电式计算机过渡。1890年，美国统计工程师霍勒里斯(H.Hollerith 1860～1929)为了人口统计分析的需要，发明了第一台以电磁元件为基本元件，以电动机为动力的机电式计算机。霍勒里斯的这一发明可以说是计算机技术进入发展阶段的历史起点。
到了20世纪初期至40年代初期，机电式计算机技术有了进一步发展。1941年，德国计算机工程师朱斯(K.Zuse 1910～)曾研制成功机电式计算机Z3。在美国，哈佛大学的计算机工程师艾肯(H.Aiken 1900～1973)在IBM公司的支持下，于1944年研制成功“自动程序控制计算机Mark I号”。1946年，艾肯等人又研制成功一台全部使用继电元件的“Mark II号”，艾肯等人的这种机电式计算机虽然旋即为电子计算机所淘汰，但它的研制成功却为电子计算机的发明奠定了直接的技术基础。
在电子技术方面，从1904年第一只电子管的发明到1938年第一台雷达问世，以电子管为主要技术标志的电子技术不但在电子元件和电子线路这两大基础技术领域取得一系列重大突破，而且在广播、电视、雷达等电子应用技术领域得到了初步发展。可以说，第一代电子计算机的发明，正是兴起于20世纪初期的电子技术向当时已有的机电式计算机技术领域渗透的必然成果。
当然，除了技术基础之外，电子计算机所以能在40年代中期发明，也源于电子计算机所必须的数学基础及其他相关科学的理论基础在此以前已相继形成。
首先，在电子计算机的数学基础方面，作为电子计算机的主要数学基础的布尔代数在19世纪中期即已奠基。布尔代数即逻辑代数，它是由英国数理逻辑学家布尔所创立的。1854年，布尔发表了逻辑代数的奠基性著作《思维规律研究》。在这一论著中，布尔以二进制为进位基础，把形式逻辑学归结为一种代数的演算。在这种逻辑代数演算中，他从一组逻辑公理出发，像推导代数公式那样来推导逻辑定理，这种逻辑代数后来经过德国数学家施罗德(E.Schroder 1841～1902)等人的进一步发展。此后
便成为电子计算机所必需的主要数学基础。
其次，有关电子计算机本身的工作原理等基础理论研究，已由英国数学家图林(A.M.Turing 1912～1954)等人在30年代基本完成。
1936年，图林发表了一篇题为《关于理想计算机》的论文。在这篇论文中，图林提出了理想计算机的基本理论模型。图林的这一理论模型的基础是他为“可计算性”下的一个严格的数学定义。这一定义的理论要点是：任何一个可计算数都具有可计算序列；而任何一个具有可计算序列的可计算数都具有可计算性。从这一定义出发，图林提出了理想计算机的定理：存在着这样一种理想计算机，它能模拟任何一种给定的计算机，这种能够模拟任何一种特定计算机的理想计算机就是通用计算机。此外，图林还提出了理想计算机的“程序内存”和逻辑构成的理论。由于图林提出了一套理想计算机的基本原理，所以人们后来便把图林所提出的这种理想计算机称为“图林机”。
图林提出理想计算机原理的目的，并不是为了研制具体的计算机，而是为了建立计算机的一般理论基础。也正因为如此，他的关于理想计算机的“图林机”理论模型也就成为第一代通用数字电子计算机发明的直接的理论基础。
可见，到了20世纪30年代末和40年代初，电脑技术兴起的各种技术基础和科学基础即已相继形成，只要有某些更直接的动因的作用，同时又有某些更善于综合各种相关科学技术成就的发明家，电脑的问世已是指日可待了。

二、第一代电脑的发明

由于发明电子计算机所必需的各种技术基础和科学基础已相继形成，到了30年代末和40年代初，不少科学家和工程师即相继开始进行电子计算机的研制。在德国，著名计算机专家朱斯于1942年设计出了一台电子计算机，并造出了部分运算元件，但其研制未能得到政府的支持而夭折。在美国，数学物理学家阿塔纳索夫(J.Atanssoff 1903～?)在1941年也曾提出过一台可解线性方程的电子计算机的设计方案，但由于他也未能得到经费的资助，所以也只是在研制出少数元件后就终止了其研制计划。
在电子计算机发展史上，真正发明第一台电子计算机的是美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系的工程师莫希莱(J.W.Mauchly 1907～1980)及其研制小组。
1941年12月7日，日军偷袭珍珠港而使太平洋战争爆发。1942年初，莫尔学院电工系与美国陆军所属的阿拉伯丁弹道研究所共同承担了每天为海陆军方提供6张火力表的任务。其中每张火力表都要计算几百条弹道。即使是最熟练的计算员，用当时最好的台式机电计算机计算一条弹道也要用20小时，而用当时最好的机电式微分分析机计算一条弹道也要15分钟。为此，当时曾聘用200名专职计算员来进行弹道的计算工作。即使这样，仍无法按要求完成火力表的计算任务。
由于机电式计算机无法及时完成弹道计算任务，莫希莱在1942年8月提出了一份题为《高速电子管装置的使用》的设计方案，建议研制以电子管为主要元件的电子计算机。莫希莱的建议立即得到了军方的支持。此后，即组建了以莫希莱为总设计师、莫希莱的助手艾克特(J.P.Ecker 1919～)为总工程师的莫尔研制小组，主持研制新的“电子数值计算机” (Electronic Numerical Integrator and Computer)，即通常所说的第一台电子计算机ENIAC。
1943年6月，莫尔学院与军方正式签订合同，开始进行第一台电子计算机的研制。此后在两年半的时间内经过20次方案的修改和样机的调试，终于在1945年底研制成功了第一台电子计算机ENIAC。ENIAC总耗资48万美元，用了18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，总重量达30吨，总占地面积为170平方米。为了散热，还配有一台重达30吨的冷却装置。1946年2月15日，当ENIAC在举行揭幕典礼之后投人正式使用时，其运算速度已为每秒5000次，即已比当时最好的机电式计算机的运算速度快1000倍。
第一台电子计算机的发明是现代技术发明史上具有划时代意义的重大技术发明之_。因为第一台电子计算机的发明不仅使计算机实现了从机电式计算机到电子计算机的伟大变革，而且直接拉开了电脑技术发展的序幕，特别是直接拉开了第一代电脑技术发展的序幕。
由于ENIAC是程序外插型计算机，因此它在发明以后不久即为诺依曼所设计的程序内存型计算机EDVAC所代替。
由于ENIAC是程序外插型计算机，准备一个运算的程序要花几小时甚至几天的时间，这与ENIAC已具有的运算高速度很不适应。此外，ENIAC还有存储容量太小等局限。鉴于ENIAC的程序外插等主要技术局限，诺伊曼即着手设计研制新的电子计算机。
早在1945年6月，诺伊曼就曾提出过“程序内存”的设计方案。他把这种程序内存的计算机称为“离散变量自动电子计算机”(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)，即通常所说的EDVAC。同ENIAC相比，程序内存的实现和二进制的采用可以说是EDVAC的两项最重大的技术变革成就，而程序内存则可以说是EDVAC优于ENIAC的最主要的技术标志。
诺伊曼提出EDVAC的设计方案之后，莫尔小组曾接受其方案开始进行这种新样机的研制。但此后不久，莫尔小组因ENI-AC的发明权之争而陷于分裂。小组主要成员莫希莱和艾克特脱离开小组另建公司，因此使美国的EDVAC的研制受到了影响。
当美国的程序内存电子计算机的研制受挫时，英国剑桥大学数学系实验室则于1949年5月按诺伊曼的设计思想研制成功了第一台程序内存电子计算机EDSAC。而美国的第一台程序内存计算机直到1950年才开始安装，1952年才正式投入运行。据说英国早在1943年就研制出了专用电子计算机，不过由于英国严格保密而不为世人所知。
从第一台电子计算机发明的40年中期到50年代中期，是第一代电子计算机的发展时期。在这一时期内，第一代电子计算机的主要技术标志是电子管被普遍用作计算机的逻辑元件，而其主要技术成就则是程序外插型和程序内存型这两种类型的电子计算机的相继发明，特别是程序内存型的诺伊曼机的发明。虽然这一时期的程序存储技术尚不成熟，但由于计算机已相继实现从机电计算机到电子计算机的变革，从程序外插型电子计算机到程序内存型电子计算机的变革，因此也就为第二代电脑的兴起奠定了直接的技术基础。

三、第二代电脑的发展

50年代中期至60年代中期是第二代电脑的发展时期。
第二代电脑的主要技术标志是分立的晶体管元件的普遍采用，因此第二代电子计算机通常被称为晶体管计算机。
就其科学渊源而言，第二代电脑的兴起主要源于半导体物理学在40年代末和50年代初的进一步发展。
1947年底，美国贝尔电话实验室的肖克利、巴丁、布拉顿等人发明了第一只半导体管，即第一只晶体管。由于晶体管具有体积小、能耗低、寿命长等电子管所无法比拟的优点，因此它一问世，即在电子技术领域内掀起了一场以晶体管代替电子管的电子技术的深刻革命。50年代初，由于晶体管技术已有初步发展，它也就立即向一切与电子技术有关的技术领域渗透。特别是第一台晶体管收音机在1952年问世之后，更是推动了电子技术革命的深入发展。
继第一台晶体管收音机问世之后，贝尔电话实验室即着手进行晶体管计算机的研制。1954年，该实验室即为美国空军研制成功第一台晶体管计算机TRADIC。由于这台计算机的逻辑元件普遍采用了晶体管，因此整机的体积大大减小，重量大大减轻，并因此被用作飞机的第一代机载计算机。
由于晶体管计算机具有电子管计算机所无法比拟的技术优势，所以它一问世，即得到迅速发展。1955年，美国的阿尔马公司生产出了第一台可装在洲际导弹中的弹载计算机，1957年，晶体管计算机即进入民用普及阶段。1958年4月，当时世界上最大的电子计算机公司——美国的IBM公司即开始批量生产晶体管计算机。同年，英国、前联邦德国、日本等国的公司也开始批量生产晶体管计算机。1959年，美国的菲尔克公司研制成功第一台大型通用晶体管计算机。至此，电子计算机即进入第二代
电子计算机——晶体管计算机的兴盛时期。
在第二代电子计算机的发展时期，计算机在两方面取得重大的技术进展。其一，在计算机的逻辑元件和逻辑线路方面，普遍采用了晶体管和晶体管线路，在计算机的存储器方面，普遍采用了快速磁芯存储器。由于这两大技术变革的实现，使计算机的运算速度从每秒几千次提高到每秒几十万次；而主存储器的容量从几千字提高到10万字。与此同时，计算机的体积成倍的减小，售价成倍地降低。也正是由于这两大技术变革的实现，电脑也就实现了其发展史上的以分立晶体管为主要技术标志的第二次革命。

四、第三代电脑的发展

60年代中期至70年代初期是第三代电脑的发展时期。
第三代电脑的主要技术标志是半导体集成电路的普遍采用。因为集成电路的最初的集成度较小，所以第三代电子计算机也被称为小规模集成电路计算机。
就其科学技术渊源而言，第三代电脑的兴起主要源于50年代末至60年代初半导体物理和半导体技术的进一步发展，特别是源于半导体集成电路的发明。1959年初，美国得克萨斯仪器公司的工程师基尔比(J.Kilby 1923--)发明了第一块集成电路。这块集成电路是一块含有晶体管、电阻、电容在内的单元电路。虽然它是一块完整的单元电路，但其面积仅为1平方毫米左右。同分立的晶体管相比，集成电路更具有容量大、体积小、功耗小和组装快等技术优点。因此它一经问世，即在电子技术领域引起又一次新的技术革命。
1961年，得克萨斯公司与美国空军合作，研制成功了第一台集成电路计算机。这台电子计算机由578块小规模集成电路组成。主机仅重285克；体积仅为100cm3，功耗仅为16瓦。第一台集成电路计算机的发明，正式拉开了第三代电脑发展序幕。
继第一台集成电路计算机发明之后，各种易于飞机和火箭携带的小规模集成电路计算机即在1962年以后相继问世。自此，小规模集成电路计算机进人全面发展时期。1962年，美国的IBM公司为了保持在计算机技术领域中的垄断地位，前后投资50亿美元用于研制小规模集成电路通用计算机。1964年4月，该公司即宣布批量生产兼备各种用途的IBM360集成电路系列通用计算机。IBM360系列计算机是第三代电脑的典型产品。它的成功，标志第三代电脑已进入其兴盛和成熟的发展时期。
在第三代电脑发展时期，电子计算机同样实现了两项重大的技术变革。其一，计算机的逻辑元件和逻辑线路普遍实现集成电路化；其二，计算机的输入、输出、外存、打印、显示、记录等外部设备开始实现电子化。其中逻辑元件与逻辑线路的小规模集成电路化是第三代电脑的主要技术标志。正是由于逻辑元件与逻辑线路的小规模集成电路化的实现，才真正使电子计算机进入小型化的发展时期。
由于小规模集成电路化的实现，使计算机的运算速度提高到每秒数百万次乃至数千万次，而单机的体积和重量反而成倍地减小，单机售价也成倍地降低，也正是由于小规模集成电路化的实现，计算机又实现了其发展史上的以小规模集成电路为主要技术标志的第三次革命。

五、第四代电脑的发展

第四代电脑是大规模集成电路计算机，它的发展始自70年代初期。
就其技术基础而言，第四代电脑的兴起主要源于70年代初半导体集成电路技术的进一步发展，特别是源于半导体大规模集成电路的发明。1971年，美国的英特尔公司在小规模和中规模集成电路技术的基础上，最先在一块面积(2.97×4.04)平方毫米的硅片上成功地集成了由2200个晶体管组成的大规模集成电路，从而为第四代电脑的兴起奠定了直接的技术基础。同年，该公司即以大规模集成电路为基础研制成功了第一台微电脑。1973年，大规模集成电路开始普遍代替小规模和中规模集成电路，电
子计算机自此即进入第四代电脑的全面发展时期。
在第四代电脑发展时期，电子计算机出现了微型化和巨型化这样两个新的发展趋向。
在微型化方面，微型机的发展主要源于大规模集成电路的集成度的不断发展。1971年，美国的英特尔公司即研制成功第一台微处理机。此后，每个微处理机的芯片上的集成度即普遍达到几千只晶体管。同60年代初的小规模集成电路相比，这已是重大的技术进展。而到了80年代初期，同等面积的每个芯片上集成度已发展到高达数十万只晶体管。特别是以大规模集成电路为基础的微处理的发明，更使微型机的发展日新月异。早在1977年，美国的苹果(Apple)电脑公司即开始大批量生产家用微电脑。自此，微电脑也像当年的电视一样进入普及性的发展时期。
在巨型化方面，同样也由于大规模集成电路的发展，使单机巨型化的发展有了可能。1975年，由美国伊利诺斯大学设计，由宝来公司制造的第一台每秒运算1．5亿次的巨型机问世。不过这台巨型机实际上是一个以主机和辅机的主从复合系统为基础的巨型机。因此，第一台真正的单机巨型机是美国电脑工程师格雷在1976年主持研究成功的Cray—I型计算机。该机最高向量运算速度为每秒2．5亿次，而其主机占地面积仅为7m2。
在巨型化方面，除了大规模集成电路的采用使单机巨型化之外，在这一时期内还出现了以多机系统为基础的三种不同类型的巨型机。其一是以双机对称系统为基础的巨型机。70年代初期，美国的IBM公司最先研制成功这种巨型机。1972年，日本也研制成功这种巨型机，这种巨型机后来又进一步发展为四机对称系统的巨型机。其二是以主从复合系统为基础的巨型机。这种类型的巨型机由一台中央处理机和多台外围处理机联合构成主从复合巨型机系统。1976年，美国的一台投入运行的巨型机CDC6600即是属于这种类型的第一台巨型机。其三是以多微机复合系统为基础的巨型机，这种巨型机是由多台微型机构成的一个巨型机系统。就其技术实质而言，这种类型的巨型机已是一种巨型机系
统。
在第四代电脑发展时期，电子计算机也同样是在两个方面实现了重大的技术突破。其一，计算机的逻辑元件和逻辑线路普遍实现大规模集成电路化。其二，计算机出现了微型机和巨型机这样两种新的系列。在这两大技术突破中，大规模集成电路是第四代电脑兴起的主要标志，而微电脑的兴起则是第四代电脑的主要技术成就。也正是由于大规模集成电路化的实现和微电脑的兴起，使电脑又实现了其技术发展史上的第四次革命。