计算机的发展简史

数字计算机的发展历史是一个充满创新和技术进步的过程。从最初的机械计算设备到现代的高速电子计算机，这一历程展示了人类智慧和技术的飞跃。

早期计算设备

数千年来，人们一直使用各种装置来辅助计算，其中大部分使用的是与手指一一对应的方法，最早的计数设备很可能是一种计数棒。如下图所示：

嗯。。。千万别怀疑老wu贴错了图，上边的图片来源于维基百科给出的资料，叫做伊尚戈骨的一种骨器，可追溯至旧石器时代早期。它是一条暗褐色的狒狒的腓骨，其一端嵌有一块锋利的石英，也许为了用于雕刻。一开始它被认为是一根记数棍，因为上面的三列刻痕被解释为计数符号，但是也有人认为这些刻痕只是为了方便抓握，或者其他的非数学的理由。

用这个来计数老wu觉得有点扯，效率太低了，还是老祖宗发明的算盘牛逼，在阿拉伯数字出现前，算盘是世界广为使用的计算工具。 用算盘计算称珠算，珠算有对应四则运算的相应法则，统称珠算法则。尤其在加减法方面。根据珠算演变而来的珠算式心算成了速算技术的一种。

第一台计算机

“数字”一词（源自拉丁语“digitus”：手指）意味着信号或符号只能取有限个离散值，与模拟信号不同。如果信号或符号只能取两个值（例如0和1），则称为二进制数字信号或二进制符号（英文缩写：Bit，Binary Digit）。数字技术的发展与计算机（英文中称为“Computer”，即计算）的发展密切相关。

早在17世纪的1642年，布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal，1623年6月19日～1662年8月19日，法国数学家、物理学家、哲学家、散文家）发明了世界上第一台加减法计算器。它是利用齿轮传动原理制成的机械式计算装置，通过手摇方式操作运算。他称“这种算术机器所进行的工作，比动物的行为更接近人类的思维”。这一思想对以后计算机的发展产生了重大的影响。

布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal）设计的计算器的图纸 图片来源：网络搜索

19世纪初，查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage，1792—1871，19世纪英国的杰出数学家、工程师和发明家，也被誉为“计算机之父”）提出了所谓的“分析机”的首个可自由编程计算机方案，其中包含了现代计算机中存在的重要组成部分。

Charles Babbbage 图片来源：网络搜索

查尔斯·巴贝奇在研究完他的差分机后，于1822年在一篇题为《论机械在天文及数学用表计算中的应用》的论文中向皇家天文学会宣布了他的发明，他还设计了用于辅助导航计算的机器。在1833年，他意识到一种更通用的设计——分析机。程序和数据的输入将通过穿孔卡片提供给机器，这是当时用于指导机械织机（如雅卡尔织布机）的一种方法。至于输出，该机器将配备打印机、曲线绘图仪和铃铛。该机器还能够将数字打孔到卡片上，以便后续读取。分析引擎包括算术逻辑单元、条件分支和循环的控制流，以及集成内存，使其成为第一个能够用现代术语描述为图灵完备的通用计算机设计。

当时，由于电气工程还处于发展初期，计算机必须以机械方式实现。查尔斯·巴贝奇的发明领先于他的时代：由于其复杂性，分析机在机械上无法实现，但为后来的计算机发展奠定了基础。

电子计算机的诞生

直到20世纪二十年代，随着继电器技术的发展，康拉德·祖斯（Konrad Zuse，德语：Konrad Ernst Otto Zuse，1910年6月22日—1995年12月18日，是一位德国工程师和计算机先驱）才在1936年在德国展示了第一台电机械计算机的实现。

Z1是康拉德·祖斯于1935年至1936年设计、1936年至1938年制造的一台机械计算机。它是一种电气驱动的机械计算器，可编程性有限，可以从穿孔板上读取指令录音带。这台机器是一个22位浮点值加法器和减法器，一些控制逻辑使它能够进行更复杂的运算，如乘法（通过重复加法）和除法（通过重复减法）。Z1的ISA有9条指令，其CPI范围从1到20。Z1是康拉德·祖斯设计的一系列计算机中的第一个。Z2和Z3是基于许多与Z1相同的想法的后续产品。

康拉德·祖斯与其发明的Z1计算机 图片来源：百度百科

1937年，美国哈佛大学的霍华德·艾肯（Howard Hathaway Aiken，1900-1973）也实现了一台电机械计算机——哈佛一型（Harvard Mark I）。虽然哈佛一型仍然使用十进制系统进行计算，但从1940年代开始，计算机基本上都是采用二进制数字系统。在二进制系统中进行计算意味着只使用二进制符号来实现算术运算，并且是一个基于二进制的权值系统——而十进制系统使用十进制。转向二进制系统的一个重要原因在于，二进制系统中的算术更容易实现。

哈佛一型计算机输入/输出和控制的特写 图片来源：维基百科

电子计算机的诞生

到了二十世纪四十年代，计算机的主要部件由继电器替换为电子真空管，电子真空管相较于继电器可以更快地切换，从而提高了计算机的性能。不仅算术运算，还有信息存储和控制电路都是以二值逻辑——即二进制的数字方式实现。相比于模拟实现，数字的二进制实现具有一个重要优势，即电子电路更加抗干扰。抗干扰性源于电子电路只需实现两个离散的开关状态，即“0”和“1”。数字技术的数学基础是乔治·布尔于1847年引入的“布尔代数”。克劳德·香农于1937年将其转化为所谓的“开关代数”，这仍然是实现数十亿个晶体管的高度复杂电路的基础。

数学家乔治·布尔（George Boole） 图片来源：网络搜索

数学家、电子工程师和密码学家，被誉为信息论的创始人 克劳德·艾尔伍德·香农（英语：Claude Elwood Shannon)

在第二次世界大战期间，出现了一系列早期的电子计算机，如ENIAC，它们主要用于军事目的，比如破解密码和计算弹道。

ENIAC（电子数值积分计算机英语：Electronic Numerical Integrator And Computer），由其英文缩写组成，是世界上第一台通用计算机。它是图灵完备的电子计算机，能够重新编程，解决各种计算问题。

ENIAC 计算机的部分展示 图片来源：维基百科

ENIAC在1946年公布的时候，就被当时的新闻赞誉为“巨脑”。它的计算速度比机电机器提高了一千倍。这是一个飞跃，之前没有任何一台单独的机器达到过这个速度。它的数学能力和通用的可编程能力，令当时的科学家和实业家非常激动。发明它的人为了进一步推广这些新思想，举办了一系列关于计算机体系结构的讲座。

除了速度之外，ENIAC最引人注目的就是它的体积和复杂性。ENIAC包含了17468个电子管、7200个晶体二极管、1500个继电器、10000个电容器，还有大约五百万个手工焊接头。它的重量达27吨，体积大约是2.4m×6m×30.48m，占地167平方米，重30英吨，耗电150千瓦（导致有传言说，每当这台计算机启动的时候，费城的灯都变暗了）。

然而，这也体现了真空管技术存在的一个问题，即当时的计算机体积庞大，能耗巨大。ENIAC计算机的电力需求达到了150千瓦，而其计算能力相对现代标准非常低，每秒仅能进行5000次加法运算，即0.005 MIPS（百万条指令每秒）。而现代微处理器每瓦的电力输入可以获得超过千次MIPS的计算能力（每瓦1000 MIPS），相比之下，ENIAC的每瓦计算能力仅约为3.6 \times 10^{-8} MIPS/Watt。这种能效巨大的差异或许已经清楚地表明了过去70年计算机技术的巨大进步。

晶体管的发明

向微电子进发的重要一步始于1948年由威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）发明的双极型晶体管。”晶体管”一词是由英文单词”Transfer”和”Resistor”构成的复合词。到了五十年代中期，单个晶体管被发展成了数字逻辑门，这些逻辑门器件用于IBM、DEC等公司的计算机的”晶体管化”。这一步骤类似于之前通过引入真空管技术所实现的，可以进一步提高计算机的性能参数，如计算能力、尺寸和能源需求。计算机技术的发展是一个不断追求提升性能参数的过程，其中主要涉及到计算能力。除了在计算机体系结构方面的诸多改进之外，过去80年中取得的巨大进步主要归功于微电子技术的发展。

威廉·肖克利、约翰·巴顿和沃特·布拉顿 图片来源：网络搜索

集成电路的革命

微电子实现是指在半导体基底上集成晶体管及其他器件，如二极管、电容和电阻，通常称为集成电路（英文：integrated circuit，缩写：IC）或“芯片”。第一块集成电路是1958年由杰克·基尔比在德州仪器公司（Texas Instruments）开发的，作为一种在锗基底上的振荡器电路。罗伯特·诺伊斯在1959年在仙童半导体公司（Fairchild）也开发了一种集成电路，但是是基于硅的。仙童能够通过光刻技术开发出一种特殊的制造工艺，用于制造具有平整表面的集成电路。这种硅平面技术后来成为MOS（金属-氧化物-半导体）电路的基本工艺，并且以更先进的形式至今仍在使用。

仙童“八叛逆” 缔造了“硅谷模式”的传奇

首批数字集成电路于1962年首次以双极型工艺的形式作为所谓的TTL（晶体管-晶体管逻辑）门由德州仪器和仙童等公司推向市场。随后，通过采用这种技术，IBM和DEC等公司的计算机得到了进一步改进。TTL技术的特点是集成度较低，因此在一个TTL芯片中实现了一些门功能、存储功能或较为复杂的功能，如计数器。这被称为SSI（小规模集成：每个芯片<100个晶体管）。然而，要构建一个更大的系统，仍然需要几个充满TTL芯片的电路板。除了在计算机领域的应用外，电子技术也在其他行业，如消费电子、资本设备和航空航天等领域，带来了巨大的创新推动。

双极型TTL技术的一个主要缺点是，电路在静态状态下消耗相当大的电流。这是由于双极型晶体管的工作原理，即通过电流控制导致的，这阻碍了集成密度的进一步提高。另一种工作原理不同的（单极型）场效应晶体管，其沟道的导通性不是通过电流而是通过一个电场来控制的，这个电场是由施加在与沟道隔离的栅极上的电压产生的，因此几乎不需要功率来进行控制。虽然这种原理早在1931年由Lilienfeld发现（IGFET：绝缘栅场效应晶体管），但长期以来，难以制造处于栅和沟道之间的绝缘栅氧化物阻碍了这种晶体管的引入。直到六十年代，技术问题才得以解决，导致了MOS技术（金属-氧化物-半导体）的引入。第一批商用数字MOS集成电路是以PMOS技术（P代表基于正电荷或“空穴”的导电机制）制造的，例如在计算器中使用。

微处理器的诞生

二十世纪六十年代，仙童半导体公司的一些员工，包括戈登·摩尔和罗伯特·诺伊斯，在六十年代末成立了英特尔公司。起初，英特尔公司开发和生产存储器芯片，但在六十年代末，该公司受到日本的Busicom公司的委托，要求开发一款用于台式计算器的集成电路。在开发过程中，这个集成电路被实现为可编程计算器或处理器，这就是所谓的“微处理器”的诞生。

英特尔公司回购了Busicom公司的许可，并于1971年将第一款微处理器以“英特尔4004”之名推向市场。这款“4004”微处理器是在PMOS工艺下制造的，其中晶体管的最小结构尺寸（沟道长度）为10微米；相比之下，人类头发的直径约为50微米。因此，能够集成2250个晶体管（MSI：中规模集成，每个芯片100-3000个晶体管），该处理器的时钟频率为740kHz，并达到了0.06 MIPS的计算能力。

Intel 4040 微处理器芯片

1974年，Intel推出了第一款8位微处理器“8080”，采用了6微米的PMOS技术。1978年，首款16位处理器“8086”问世，为IBM开发并于1981年推出的“个人电脑”（PC）奠定了基础。 “8086”采用了NMOS技术，其FET沟道基于电子传导，因此比PMOS更快。1985年的“80386”标志着进入了32位处理器时代，也标志着过渡到了互补电荷耦合金属氧化物半导体（CMOS）技术，进一步降低了静态功耗，并提高了抗干扰能力。CMOS技术至今仍是实现高度复杂数字集成电路的主要技术。

随着每一代工艺的推出，晶体管的尺寸或结构尺寸都在减小，因此人们会根据晶体管的最小可能沟道长度来表征工艺。例如，1989年的“80486”处理器采用了0.6微米CMOS技术。相比于“4004”，它的结构尺寸小了17倍，大约比一根头发细83倍。这种发展导致了两个效应：一方面，晶体管的面积要求减小了，因此可以在芯片上容纳更多的晶体管（集成度提高），从而在同样的芯片面积上实现更多的功能。另一方面，晶体管的开关速度更快，因此电路可以以更高的时钟频率运行，进而提高了计算能力。不同的集成度可以大致分为以下几类：LSI（大规模集成，每个芯片3000到100,000个晶体管）、VLSI（超大规模集成，每个芯片100,000到1,000,000个晶体管）和ULSI（超超大规模集成，每个芯片超过1,000,000个晶体管）。

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当前处理器的发展

当前的处理器已采用5纳米制程制造，并且处理器的时钟频率超过了5 GHz。与Intel 4004相比，处理器的集成度，即每个芯片的晶体管数量，已经增加了超过130万倍，在46年的时间里，时钟频率增加了超过4000倍。

Intel处理器制程工艺路线图 来源：Intel官网

当前的计算机开始朝着AI化的方向发展，在老wu发文的2024年3月13日，微软宣布将于 3 月 21 日举办一场活动，重点展示其即将推出的生成式 AI 设备和功能。Surface Pro 10 和 Surface Laptop 6 预计将成为首批支持 Windows 11 中即将推出的 AI 功能的机器之一，这些功能包括设备上的 Copilot 功能、新的实时实时字幕和翻译功能、视频游戏升级和帧速率平滑、增强的Windows Studio效果以及内部称为“AI Explorer”的新功能。

预计 Intel 版本的 Surface Laptop 9 和 Surface Pro 10 将于 4 月发货，Snapdragon 版本将于 6 月发货。

微软方面表示，计算机将让我们触手可及的信息，而 AI 的作用是让我们触手可及的专业知识。

AI PC 将会颠覆当前的软硬件形式，2024年有望成为AI PC元年。硬件方面，AI PC的功能将扩展至“计算+存储+传感”，在架构设计上形成了 “CPU+GPU+NPU”的异构方案。软件方面，AI PC整合了轻量化AI模型，将实现各种生成式AI应用的离线稳态运行。作为设备、 边缘计算和云技术的混合体，AI PC不仅具有强大的计算能力和先进的AI技术，还带来了创新的交互方式和视觉体验。预计2024年各品牌的AI PC产品将陆续上市，2024年有望成为AI PC的元年。