2000年上大学时,教材上写着世界上第一台通用计算机叫埃尼阿克(ENIAC)。实际上1973年,美国联邦地方法院就判决撤销了ENIAC的专利,并得出结论:ENIAC的发明者是从阿塔纳索夫那里继承了电子数字计算机的主要设计构想。因此,ABC被认定为世界上第一台计算机。
ABC的全称是Atanasoff–Berry Computer,也就是阿塔纳索夫-贝瑞计算机(简称ABC)。ABC是由美国科学家阿塔纳索夫(Atanasoff,IOWA州立大学教授,Berry是他的学生)在1937年开始设计,不可编程,仅仅设计用于求解线性方程组,并在1942年成功进行了测试,是公认的计算机先驱,为今天大型机和小型机的发展奠定了坚实的基础。
ENIAC就是莫齐利和艾克特(宾夕法尼亚大学的老师和学生)借鉴、发展ABC制成的第一台数字电子计算机。ENIAC的设计思想来源于阿塔纳索夫在此之前的设计:可重复使用的内存、逻辑电路、基于二进制运算、用电容作存储器。
ABC使用了300个真空管
ABC的性能特点:
第一,采用电能与电子元件,在当时就是电子真空管;
第二,采用二进位制,而非通常的十进位制;
第三,采用电容器作为存储器,可再生而且避免错误;
第四,进行直接的逻辑运算,而非通常的数字算术。
ABC是电子与电器的结合,电路系统中装有300个电子真空管执行数字计算与逻辑运算,机器使用电容器来进行数值存储,数据输入采用打孔读卡方法,还采用了二进位制。因此,ABC的设计中已经包含了现代计算机中四个最重要的基本概念,从这个角度来说它是一台真正现代意义上的电子计算机。
其实,ABC也不是稳稳当当地就能做这个第一的宝座的。
与ABC同期的还有Z3计算机、Colossus computer、Mark I等,从时间上都比ABC要早一点。
Z3计算机
Z系列计算机实际比ABC要早一点。1936年,德国人楚泽(数字计算机之父),开始研发以记忆能力和可编程化为特色的Z系列计算器。1938年,楚泽在柏林父亲的公寓中完成Z1计算机,完全机械制造,使用二进位制,但是由于部分零件精确度的问题,运作并不稳定。1941年楚泽用打孔胶卷作为输入程式的媒介,以电话型继电器为基础,计算机运作顺利,因此成为首部可编程控制的功能性计算机。
Z3计算机在许多方面都跟现代计算机相当类似,比如说使用了浮点数(Floating Point),是多项先进功能中的先锋。楚泽扬弃不好用的十进位制(巴贝奇早期设计皆使用十进位制)取简单的二进位制,以当时的科技工艺来说,此举使得他的机种易于制造,较为可靠,这就是楚泽比巴贝奇成功的主要原因之一。时过境迁,因为二战,Z系列电脑虽然被人忽略,不过Z3已在1990年代证实合乎通用电脑定义(忽略其物理储存容量限制)。
终于提到了巴贝奇,我忍不住要大写特写这位伟大的令人尊敬的发明家、计算机先驱。
巴贝奇全名查尔斯·巴贝奇,他活了80岁,致力于计算机研发近60年,直至死去。
1791年,巴贝奇出生在英国富有的银行家家庭。
1812年,他看了法国人刚刚耗费巨大力量人工编制的错误百出的数学用表,就想如果用一台机器来计算数学用表(对数表),肯定要更快更准确。
巴贝奇的第一个目标是制作一台“差分机”。他从法国人杰卡德发明的提花织布机上获得了灵感,“差分机”的设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。
1822年,巴贝奇小试锋芒,初战告捷,第一台差分机呱呱坠地。这是一台小型计算机,能进行8位数的某些数学运算。
但是,大家要注意,这一“小试”就耗去了整整10年时间。
因为当时的工业技术水平极差,从设计绘图到车钳刨铣磨的机械零件加工,都得巴贝奇亲自动手。好在巴贝奇自小就酷爱并熟悉机械加工,样样拿手。
就这样,在他孤军奋战下造出的这台机器,运算精度达到了6位小数,当即就演算出好几种函数表。以后实际运用证明,这种机器非常适合于编制航海和天文方面的数学用表。
巴贝奇的第二个目标是制作一台更大的“差分机”——运算精度达到20位。
英国财政部为此出资1.7万英镑,巴贝奇自己拿出1.3万英镑,一共3万英镑用以此项研发。这绝对是一笔天文数字的款项了。要知道,1831年约翰 · 布尔制造一台蒸汽机车的费用才784英磅。
然而,尽管经费“如此充足”,但是英国政府和巴贝奇都大大失算了。这台大型差分机需要大约25000个零件,主要零件的误差不得超过每英寸千分之一。这就是放在现在的加工设备和技术,要想造出这种高精度的机械也绝非易事。但是那时候是1820年代。尽管项目用的是英国最著名的机械工程师约瑟夫·克莱门特所属的工厂制造,但工程进度依然十分缓慢。设计师心急火燎,一天来回几个往返在工厂和剑桥之间。他把图纸改了又改,让工人把零件重做一遍又一遍。岁月如水,白驹过隙,眨眼间,又一个10年过去。全部零件只完成不足一半数量。机器不能运转,参加试验的同事们再也坚持不下去,纷纷离他而去如鸟兽散。
巴贝奇独自苦苦支撑了第三个10年,终于感到自己再也无力回天。在痛苦的煎熬中,他无计可施,只得把全部设计图纸和已完成的部分零件送进伦敦皇家学院博物馆供人观赏。
1842年冬,英国政府宣布断绝对他的一切资助。
科学界友人、权威公开宣称他的差分机“毫无任何价值”……
而就在此时一位伯爵夫人来信表示理解和支持他,并希望与他一起工作。
她有钱有才华并且从小仰慕巴贝奇,她就是阿达·洛芙莱斯(Ada Lovelace,是英国著名诗人拜伦之女,数学家,计算机程序创始人,建立了循环和子程序概念。为计算程序拟定“算法”,写作的第一份“程序设计流程图”,被珍视为“第一位给计算机写程序的人”。为了纪念阿达·洛芙莱斯对现代电脑与软件工程所产生的重大影响,美国国防部将耗费巨资、历时近20年研制成功的高级程序语言命名为Ada语言,它被公认为是第四代计算机语言的主要代表。)
Ada小时候曾跟母亲去参观过巴贝奇的差分机。
此时的Ada,27岁,已是一位小有名气的数学家,她十分理解并且深知巴贝奇的这项发明的重大意义。
巴贝奇欣然同意Ada作为科学研究上的合作伙伴来共同研制新的计算机器。
已历30年困难和挫折的巴贝奇并没有动摇和屈服,Ada的加盟更坚定了他的决心。
巴贝奇最后的冲刺目标
就在大型差分机研发项目不断受挫的30年里,巴贝奇早就修改了方案、已经提出了一项新的更大胆的设计。1834年,他提出,不仅仅是制造一台能够制表的大型差分机,而是制造一种通用的数学计算机。巴贝奇把这种新的设计叫做“分析机”,它能够自动解算有100个变量的复杂算题,每个数可达25位,速度可达每秒钟运算一次。时隔190年的今天我们再回首看看巴贝奇的设计,分析机的思想仍然闪烁着天才的光芒。
巴贝奇首先为“分析机”构思了一种齿轮式的“存贮库”,每一齿轮可贮存10个数,总共能够储存1000个50位数。分析机的第二个部件是所谓“运算室”,其基本原理与帕斯卡的转轮相似,但他改进了进位装置,使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。此外,巴贝奇也构思了送入和取出数据的机构、以及在“存储库”和“运算室”之间运输数据的部件。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作。一个多世纪过去后,现代电脑的结构几乎就是巴贝奇分析机的翻版,只不过它的主要部件被换成了大规模集成电路而已。仅此一说,巴贝奇就当之无愧于计算机系统设计的“开山鼻祖”。
Ada认为“分析机” “编织”的代数模式 同 杰卡德织布机编织的花叶完全一样。于是,她为分析机编制一批函数计算程序。
Ada开天辟地地为计算机编出了程序,其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。阿达编制的这些程序,即使到了今天,电脑软件界的后辈仍然不敢轻易改动一条指令。
人们公认Ada是世界上第一位软件工程师。
众所周知,美国国防部据说是花了250亿美元和10年的光阴,把它所需要软件的全部功能混合在一种计算机语言中,希望它能成为军方数千种电脑的标准。1981年,这种语言被正式命名为ADA语言,使阿达的英名流传至今。
不过,以上讲的都是后话。
回到19世纪40年代,尽管有了Ada的加盟,但是因为没有任何资助,巴贝奇已耗尽全部家财、一贫如洗。Ada忍痛两次把丈夫家中祖传的珍宝典当以维持日常开销。为筹措科研经费,他们不得不经常中断而“下海”搞“创收”,如制作什么国际象棋玩具,什么赛马游戏机等等。但是最后,两人依然陷入了惶惶不可终日的窘境。
天妒英才。因为贫困交加,无休无止的脑力劳动,Ada的健康状况急剧恶化。1852年,怀着对“分析机”成功的美好梦想和无言的悲怆,巾帼软件奇才魂归黄泉,香消魄散,死时年仅36岁。
Ada去世后,巴贝奇又默默地独自坚持了近20年。
晚年的他已经不能准确地发音,甚至不能有条理地表达自己的意思,但是他仍然百折不挠地坚持工作。
上帝对巴贝奇和Ada太不公平!
“分析机”终于没能造出来,他们失败了。
巴贝奇和Ada的失败是因为他们看得太远,“分析机”的设想超出了他们所处时代至少一个世纪!然而,他们留给了计算机界后辈们一份极其珍贵的精神遗产,包括30种不同的设计方案,近2100张组装图和50000张零件图……,更包括那种在逆境中自强不息,为追求理想奋不顾身的拼搏!
Colossus computer
Colossus computer,中文名叫巨人计算机,是世界上最早的电子数字计算机器,是第一部全电子化的计算机器件,使用了数量庞大的真空管,以纸带作为输入器件,能够执行各种布林逻辑的运算,但仍未具备图灵完全的标准。1943年,英国人用它来破译德国人的密码。在二战结束后,丘吉尔命令拆毁十二台中的十台。另两台在1961年被拆毁。
Mark I
马克一号(Mark I),由哈佛大学应用数学家阿肯在美国海军部的经费支持下,于1937年开始设计,IBM承建,1944年8月7日正式发布。Mark I受到巴贝奇“分析机”的思想启发,总耗资四五十万美元,做乘法运算一次最多需要6秒,除法10多秒。运算速度不算太快,但精确度很高(小数点后23位)。采用全继电器,长51英尺、高8英尺,看上去像一节列车,重5吨,有765000个零部件,里面的各种导线加起来总长500英里;它有72个累加器,每个累加器有自己的算术部件,及23位数的寄存器。
Mark I的全名是全自动化循序控制计算机(Automatic Sequence Controlled Calculator,缩写为ASCC),Mark I是它的用户哈佛大学给它起的名字。
Mark I是美国第一部大尺度自动数字电脑,被认为是第一部万用型计算机。
Mark I是由开关、继电器、转轴以及离合器所构成。
Mark I的基本计算单元使用同步式机械,所以它有一根长15米(50呎)的传动轴,并由一颗4千瓦的马达所驱动。Mark I可以存储72组数据,每组数据有23位十进制数字。每秒可执行3次加法或是减法。一个乘法则需6秒,一个除法需15.3秒,计算一个对数或是一个三角函数需花费超过一分钟。
Mark I的特点:
1.既能处理正数,也能处理负数。
2.能解各类超越函数,如三角函数、对数函数、贝塞尔函数、概率函数等。
3.全自动。即处理过程一旦开始,运算就完全自动进行,不需人的参与。
4.在计算过程中,后续的计算取决于前一步计算所获得的结果。
马克一号是第一部被实现出来的全自动电脑,同时与当年的其他电子式计算机相比它非常可靠。大家认为“这是现代电脑时代的开端”以及“真正的电脑时代的曙光”。
好的,今天这篇文章介绍了ENIAC,ABC,Z3,Colossus computer和Mark I,还有巴贝奇、Ada和他们的“分析机”。
通过今天的梳理,我们可以看到美国在二战结束以前在计算机技术上并没有什么突出的,反而是英国、德国十分突出,特别是英国人巴贝奇,他的理念和设计超前了100多年,非常可惜由于工业水平的限制,伟大的巴贝奇和他的设计构想最终在耗尽了他与Ada的一生后依然没有成功。但是他们的精神将鼓舞我们向前进。
比较英美两国,可以看到,19世纪英国的计算机科学理论水平已经相当高了,只可惜受限于工业水平,最终只能在100多年后由美国来把它变成现实。
最后还不得不再提到一个英国人,阿兰·图灵(Alan Turing,英国数学家、逻辑学家,被称为计算机科学之父,人工智能之父)。如果没有图灵,计算机仍然只能做计算这种简单的事。1936年,图灵发表了一份影响深远的论文(论可计算数在判定问题中的应用),奠定了通用计算设备的基础。图灵对于人工智能的发展有诸多贡献,提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法,即图灵试验。此外,图灵提出的著名的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。
最后最后,提一下,在PC、网络和移动通信领域,美国的贡献。
PC
这个领域,美国一路领先。威廉·肖克利(William Shockley),晶体管的共同发明人,于1956年创设了肖克利半导体实验室,一年之后他的手下干将离职并创建了仙童半导体。
仙童和德州机器在当时就如同今日的Intel 和AMD。事实上,仙童的创始人罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)也是英特尔的创始人。英特尔发明了微处理器,并于1971年开始正式销售,于是1970年代早期的爱好者们便能开心地在车库里组装电脑了。
微型计算机不是美国发明的——法国公司R2E 开发了Micral,1972 年发布了零售版,不过推广与普及的工作还是由美国公司MITS通过Altair 达成的。
Altair 导致了爱好者团体——家酿计算机俱乐部的诞生,还拥有包括史蒂夫·乔布斯和史蒂夫·沃兹尼亚克这样的成员。两个史蒂夫接着成立了苹果,一家开创了消费计算市场的公司。
这个领域最终被IBM于1981 年发布的PC操作系统及其衍生品所控制,编程语言也大多是美国的发明。
许多软件是美国首创。
第一个文字处理程序,Electric Pencil,开发者是美国人迈克尔·思瑞尔(Michael Shrayer)。
第一个电子表格,VisiCalc,是由费城人丹·布利克林(Dan Bricklin)所创造。
第一个商业浏览器,Mosaic,来自美国国家超级计算应用中心(NCSA)。
网络和互联网
计算机网络是美国人的发明,乔治·斯蒂布利兹(George Stiblitz)在贝尔实验室花费了6 年时间(1940 至1946 年)开发了首款支持多用户以及通过电话线路远程操作的机器。
最大的网络——互联网,很大程度上也是美国的发明,由美国防部高级研究计划局(下称DARPA)推动。第一条ARPANET 链路连接的是加州大学和斯坦福研究院,这项基础成为了互联网的核心。
互联网通讯协议,TCP/IP,来自DARPA 的罗伯特·卡恩(Robert Kahn)和斯坦福大学的韦恩特·瑟夫(Vint Cerf)。而将封闭、分离的网络组成互相连接的网络是由美国军方和政府机构推动的。
然而,没有万维网(WorldWide Web),互联网很可能仍是科学家和极客的工具,因此英国人提姆·伯纳斯-李是将互联网变成平凡之物的人。他带来了超文本标记语言(HTML),统一资源定位符(URLs)和超文本传输协议。
互联网的其他杀手级应用没有出现英国人的影子,无论如何,电子邮件是由纽约人雷·汤姆林森(Ray Tomlinson)在ARPANET 上发明的。
移动电话
英国人发明了电话,但移动电话是美国的发明。
移动蜂窝电话由贝尔实验室的工程师在1947 年提出,在1960年代通过AT&T 实验室研究员理查德·H·弗兰基尔(Richard H Frenkiel )和约尔·S·恩格尔(Joel S Engel )所开发的技术变为现实。
iPhone 也有英国人的功劳,乔纳森·艾弗(Jonathan Ive)设计了许多苹果产品,iPod 也算。事实上所有数码音乐播放器都是英国人的发明:英国发明家凯恩·克雷默在1979年为他的数字音频播放器注册了专利,并在1986 年向公众展示。
英国人发明了电视(约翰·洛吉·贝尔德在1924年创造了第一台可以工作的电视系统),美国人发明了电脑显示器(艾伦·B·杜·蒙特在位于新泽西的德弗雷斯特无线电公司的成果使商业CRT 显示管成为现实)和平板显示器(乔治·海尔迈耶发明了第一台LCD 显示器)
1980 年代,海尔迈耶时任德州仪器副总裁,他同时也是数字信号处理器(DSP)的发明者之一,你可以在音乐播放器、移动电话、家庭娱乐设备和医疗器具中发现它们的存在。
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