1946年2月14日，在美國賓夕法尼亞州東南部的費城，人們正在像以往一樣正常工作和生活。

忽然，他們發(fā)現(xiàn)，房間里的燈暗了下來。

剛剛經(jīng)歷過二戰(zhàn)的人們，對這種情況習(xí)以為常。他們心想：“是不是哪里的電力線路又壞了？”

其實，燈之所以會暗，并不是因為線路問題，而是在離他們不遠的賓夕法尼亞大學(xué)，誕生了一個“龐然大物”。

這個“龐然大物”占地170平方米，重達30噸。它以電為生，功率高達150千瓦。它的啟動，直接拉低了附近居民用電的電壓，所以導(dǎo)致電燈變暗。

這個“龐然大物”究竟是什么呢？

沒錯，它就是人類第一臺通用電子計算機——ENIAC（埃尼阿克）。

ENIAC采用了17468根真空管（這也是它體積大、耗電高的主要原因之一），每秒能夠完成5000次加法或400次乘法，約為手工計算的20萬倍。

它的誕生，對整個人類來說擁有極為重要的意義，標(biāo)志著人類正式邁入了電子計算機時代。


█?從結(jié)繩記事到阿拉伯?dāng)?shù)字：算力的萌芽

ENIAC是一個里程碑。它將人類算力發(fā)展史分為了前后兩個部分。

在繼續(xù)下半部分之前，我們還是先來回顧一下上半部分的歷程。

從遠古時期開始，人類就掌握了算力。我們的“原生”算力工具，就是大腦。

我們運用算力的過程，叫做“思考”。相對應(yīng)的，我們收集信息的過程，叫做“觀察”。

所謂“計算”，其實就是解決問題的過程。遇到問題，通過計算解決問題，就實現(xiàn)了進步和發(fā)展。

在整個過程中，人類是主體，信息是輸入和輸出物。經(jīng)驗和技術(shù)，則是方法。而完成整個計算過程的能力，就是算力（Computing Power）。

動物也有大腦，也有算力，但是遠遠不如我們強勁。在漫長的進化過程中，我們的大腦越來越發(fā)達，最終幫助我們從萬物生靈中脫穎而出，成為了地球的主宰。

在人類早期階段，之所以需要算力，是為了生存。主要的計算內(nèi)容，是如何狩獵，如何防范襲擊，如何繁衍后代。

后來，有了基本的生存保障，人類就開始將更多的算力用于改善生存質(zhì)量，例如搭建房屋、交易物品、制造工具等。

計算是對信息進行處理的過程。所以，如何表達和記錄信息，是實施計算的第一步。

在原始社會，為了更好地描述自己觀察到的信息（所見、所聞、所想），也為了更方便地進行信息溝通，就開始繪畫。

后來，在繪畫的基礎(chǔ)上，又發(fā)明了文字。

文字，其實就是用表意符號對信息進行“編碼”。

它是物理世界和精神世界的一種映射和表達。有了文字，信息的記錄和傳遞效率大幅提升，人類社會有了更強的聯(lián)結(jié)力，歷史和文明也更易于傳承。

文字里面，還有一種很特殊的符號，那就是數(shù)字。

所有的人類早期先進文明，都有自己的文字，也有自己的數(shù)字系統(tǒng)。例如巴比倫文明的六十進制，瑪雅文明的二十進制或十八進制，中國和古埃及的十進制。

數(shù)字出現(xiàn)后，人們將計數(shù)和算數(shù)的過程，稱為計算。（我們姑且將前面宏觀的計算稱為“廣義的計算”，這里稱為“狹義的計算”。）

古希臘在數(shù)字和計算上比較領(lǐng)先，很早就創(chuàng)立了算術(shù)、幾何、代數(shù)等獨立學(xué)科。

古希臘思想家、哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家畢達哥拉斯發(fā)現(xiàn)并證明了勾股定理，是那一時期計算水平的標(biāo)志。

后來，畢達哥拉斯學(xué)派主張用數(shù)來解釋一切，認為不僅萬物都包含數(shù)，而且“萬物皆是數(shù)”。

現(xiàn)在看來，這種思想極具前瞻性。也有人將其改成：“萬物皆比特”。

人類社會不斷進步，計算需求也變得越來越復(fù)雜。僅僅依靠大腦這個“原生”算力工具，不太夠用。即便是用上手指、腳趾，也不行。所以，我們開始借助外部算力工具。

最早期，我們使用的外部算力工具是草繩、石頭，也就是所謂“結(jié)繩記事”。

中國關(guān)于結(jié)繩記事的記載出自《易經(jīng)》中的《系辭下》:“上古結(jié)繩而治,后世圣人易之以書契?！?我們現(xiàn)在常見的中國結(jié)，也源于“結(jié)繩記事”。

后來，文明繼續(xù)發(fā)展，我們有了算籌（一種用于計算的小棍子）。

在中國，算籌誕生于春秋戰(zhàn)國時期。我們經(jīng)常用到的成語，例如運籌帷幄、一籌莫展、技高一籌等，都是和算籌有關(guān)。

公元480年，祖沖之把圓周率精確計算到小數(shù)點后第七位（3.1415926），采用的工具就是算籌。他的這一記錄，保持了900多年。

除了算籌之外，我們還有一個更知名的算力工具，那就是算盤。

算盤的具體誕生時間已經(jīng)無從考證。有人說是秦朝，也有人說是東漢。東漢時期徐岳的著作《數(shù)術(shù)記遺》中，最早出現(xiàn)了“珠算”這個字眼。

算盤的歷史價值不需要我多說。直到現(xiàn)在，我們還能看到它的身影。

公元3世紀，笈多王朝的古印度人發(fā)明了阿拉伯?dāng)?shù)字，意義重大。后來，阿拉伯帝國崛起，將阿拉伯?dāng)?shù)字帶到了歐洲。

同樣被帶到歐洲的，還有我們中國四大發(fā)明之一的造紙術(shù)。

前面我提到，圖畫和文字是人類表達信息的方式。這些信息，肯定是需要載體的。早期的載體，是龜甲、獸骨、獸皮、竹簡、木牘、縑帛。這些載體要么稀少，要么昂貴，要么無法長期保存。

西漢時期，造紙術(shù)在中國出現(xiàn)，但工藝簡陋，質(zhì)量不佳。后來，東漢元興元年（105年），宦官蔡倫總結(jié)前人經(jīng)驗，對造紙工藝進行改進，顯著提升了紙的質(zhì)量，也為紙的普及奠定了基礎(chǔ)。

紙的出現(xiàn)和普及，大大方便了信息的記錄和傳遞，有利于文化傳播，也提升了生產(chǎn)效率。

阿拉伯?dāng)?shù)字和造紙術(shù)傳入歐洲，前者取代了冗長的羅馬數(shù)字，后者取代了昂貴的羊皮和小牛皮。再加上后來，中國的印刷術(shù)又傳了過去，大大促進了歐洲文化的發(fā)展。

這一切，也為后來的文藝復(fù)興和科技萌芽鋪平了道路。

█?從計算尺到差分機：算力的蓄力

公元14世紀，正如大家所知道的那樣，歐洲開啟了文藝復(fù)興，人文主義的思潮占據(jù)主流，人們開始倡導(dǎo)通過觀察和實驗來認識世界。

到了16世紀，歐洲的科技就開始爆發(fā)了。

那一時期，整個歐洲群星璀璨，藝術(shù)和科學(xué)領(lǐng)域碩果累累，生產(chǎn)力水平直線上升。

數(shù)學(xué)作為所有科學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，取得的研究進展是最大的。解析幾何學(xué)、微積分等，都誕生了。一大堆天才數(shù)學(xué)家，輸出了海量的研究成果，不僅為其它學(xué)科的騰飛奠定了基礎(chǔ)，還直接促成了后來的工業(yè)革命。

當(dāng)時，為了更好地服務(wù)于數(shù)學(xué)計算，人們發(fā)明了新型的算力工具。例如1625年，英國數(shù)學(xué)家威廉·奧特雷德（William?Oughtred）發(fā)明了計算尺。1642 年，法國數(shù)學(xué)家布萊茲·帕斯卡（Blaise Pascal）發(fā)明了人類最早的機械計算機。

這些發(fā)明，可以輔助完成對數(shù)計算、三角函數(shù)計算、開根計算等復(fù)雜任務(wù)，提升計算效率。
后來，17世紀末到18世紀中，德國數(shù)學(xué)家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）等人，先后設(shè)計和制造了能夠計算乘法的設(shè)備，將算力工具提升到更高的層級。

18世紀60年代，第一次工業(yè)革命爆發(fā)，將人類帶入蒸汽時代。

動力機械崛起，開始取代手工勞動，成為主要生產(chǎn)力。算力工具，也開始向更先進的機械化方向演進。

算力工具想要機械化，首先要解決信息表達方式的問題。因為機器是不識字的，先要發(fā)明讓機器看得懂的“語言”，才能讓機器按命令工作。

這個早期的機器語言表達方式，就是“打孔”。

1725年，法國人巴斯勒·布喬（Basile Bouchon）發(fā)明了打孔卡（穿孔卡），用于織布機。

織布機在編織過程中，編織針會往復(fù)滑動。根據(jù)打孔卡上的小孔，編織針可以勾起經(jīng)線（沒有孔，就不勾），從而繪制圖案。換言之，打孔卡是存儲了“圖案程序”的存儲器，對織布機進行控制。

這一發(fā)明，標(biāo)志著人類機械化信息存儲形式的開端。

1801年，法國織機工匠約瑟夫·馬里爾·雅卡爾（Joseph Marie Jdakacquard）對打孔卡進行了升級。

他將打孔卡按一定順序捆綁，變成了帶狀，創(chuàng)造了穿孔紙帶（Punched Tape）的雛形。這種紙帶，被應(yīng)用于提花織機。

大家應(yīng)該能看出來，打孔其實就是一種信息編碼方式。它比文字和數(shù)字更加簡單，讓人與機器可以進行“溝通”。

1811年，20歲的英國發(fā)明家查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）從提花織機中獲得靈感，開始設(shè)計制造一臺名叫“差分機”的設(shè)備。

十年后，這臺“差分機”制造完成，可以進行多種函數(shù)運算，運算精度達到了6位小數(shù)。

在這個成就的鼓舞下，巴貝奇又啟動了第二臺“差分機”的研究，精度將達到20位。英國政府也資助了他的研究。

可惜的是，因為這個機器的設(shè)計太過超前（有25000多個零件，主要零件的誤差不得超過每英寸千分之一），當(dāng)時的機械制造水平，很難達到精度要求。所以，在歷經(jīng)二十年，耗費了巨額資金之后，這個“差分機”還是未能制造出來。

在這個過程中，1834年，巴貝奇還提出了一個更大膽的想法——設(shè)計一個以蒸汽為動力的通用數(shù)學(xué)計算機，能夠自動解算有100個變量的復(fù)雜算題，每個數(shù)可達25位，速度可達每秒鐘運算一次。

巴貝奇把這種新的設(shè)計叫做“分析機”。

“分析機”和第二臺差分機一樣，最終未能制造成功。但“分析機”中包含的很多設(shè)計，例如送入和取出數(shù)據(jù)的機構(gòu)、以及“存儲庫”和“運算室”，和一百多年后的計算機如出一轍。

因此，“分析機”被后人稱為世界上第一臺計算機。而巴貝奇，則被譽為計算機鼻祖。

值得一提的是，與巴貝奇進行技術(shù)合作的，有一個小姐姐，名字叫阿達·奧古斯塔（Ada Augusta）。她是詩人拜倫的獨生女。當(dāng)時，她負責(zé)為“分析機”編程。她也因此被稱為世界上第一個“程序員”。

1878年，瑞典發(fā)明家奧涅爾在俄國發(fā)明了一種齒數(shù)可變的齒輪計算機，也算是機械計算機的代表之一。

到了1885年，已經(jīng)有越來越多的計算機在歐美國家誕生，成為一種風(fēng)潮。

1890年，一個牛人的出現(xiàn)，讓打卡孔技術(shù)進一步發(fā)揚光大。這個人，就是德裔美國人——赫爾曼·何樂禮（Herman Hollerith）。?

赫爾曼·何樂禮?赫爾曼·何樂禮在打孔卡的基礎(chǔ)上，發(fā)明了打孔卡制表機，專門用于收集并統(tǒng)計人口普查數(shù)據(jù)。?

打孔卡制表機的統(tǒng)計速度更快。

根據(jù)史料記載，在1890年的美國人口普查中，通過打孔制片和打孔機，僅6周就完成了統(tǒng)計工作，得出了準確的數(shù)據(jù)（62622250人）。而此前1880年的美國人口普查，數(shù)據(jù)全靠手工處理，歷時7年才得出最終結(jié)果。

如此巨大的效率提升，使得制表機在各個行業(yè)迅速普及。它標(biāo)志著半自動化數(shù)據(jù)處理時代的開始。?

后來，1896年，赫爾曼·何樂禮創(chuàng)辦了制表機器公司（Tabulating Machine Company）。這家公司，就是IBM公司的前身。

█?從圖靈機到ENIAC：算力的崛起

進入20世紀后，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機就開始了由機械向電子的過渡。

機械時代的計算機，可以通過齒輪或者帶刻度的圓柱，進行數(shù)字的標(biāo)記。到了電子時代，這樣做就不太合適了。電的特點是有（通電）和無（不通電），它比較適合的，顯然是二進制。

17世紀后半葉，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨率先提出了二進制（是的，又是他。他也是微積分的發(fā)明人。）

他形象地用１表示上帝，用０表示虛無，上帝從虛無中創(chuàng)造出所有的實物。

19世紀中葉，英國數(shù)理邏輯學(xué)家喬治·布爾（George Boole）提出了邏輯代數(shù)（后來被人們稱為“布爾代數(shù)”）。

他通過二進制，將算數(shù)和簡單的邏輯統(tǒng)一起來，通過使用與、或、非等邏輯運算符，以及基于真和假的二值邏輯，為我們提供了一種理解和操縱邏輯關(guān)系的工具。

布爾代數(shù)為計算機的二進制、開關(guān)邏輯電路的設(shè)計鋪平了道路，并最終為現(xiàn)代計算機的發(fā)明奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

除了邏輯基礎(chǔ)之外，硬件當(dāng)然也要跟上。

1904年，英國人約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）發(fā)明了真空電子二極管，可以實現(xiàn)單向?qū)щ?，檢波、整流。1906年，美國人德·福雷斯特（Lee De Forest）在二極管的基礎(chǔ)上加以改進，發(fā)明了真空三級電子管，可以實現(xiàn)信號放大。

真空管的出現(xiàn)，推動人類電子技術(shù)向前邁了一大步，補足了硬件短板。

那一時期，信息存儲技術(shù)也有了很大進步。

1898年，丹麥工程師瓦蒂瑪·保爾森（Valdemar Poulsen）在自己的電報機中首次采用了磁線技術(shù)，使之成為人類第一個實用的磁聲記錄和再現(xiàn)設(shè)備。

1928年，德國工程師弗里茨·普弗勒默（Fritz Pfleumer）發(fā)明了錄音磁帶。1932年，奧地利工程師古斯塔夫·陶謝克（Gustav Tauschek）發(fā)明了磁鼓存儲器。磁性存儲時代正式開啟。

1937年，英國劍橋大學(xué)的阿蘭·圖靈（Alan M. Turing）提出了被后人稱之為"圖靈機"的數(shù)學(xué)模型。這為現(xiàn)代計算機的邏輯工作方式指引了方向。

同樣是1937年，貝爾試驗室的喬治·斯蒂比茲（George Stibitz）展示了用繼電器表示二進制的裝置。盡管僅僅是個展示品，但卻是第一臺二進制電子計算機。

二戰(zhàn)爆發(fā)后，軍事需求大大刺激了算力的發(fā)展。軍方需要更加強勁的算力，完成密碼加密解密、火炮彈道計算甚至火箭發(fā)射等重要任務(wù)。

1941年12月，德國人康拉德·楚澤（Konrad Zuse）制作完成了世界上第一臺可編程電子計算機——Z3。這臺計算機用于空氣動力學(xué)計算，使用了大量的繼電器和真空管，每秒鐘能作3到4次加法運算，一次乘法需要3到5秒。后來，Z3毀于柏林轟炸。

1942年，美國愛荷華州立大學(xué)物理系副教授阿塔納索夫（John V.Atanasoff）和他的學(xué)生克利福德·貝瑞（Clifford Berry）設(shè)計制造了世界上第一臺電子計算機，名為"ABC"（Atanasoff-Berry Computer），也被稱為“珍妮機”。

ABC使用了IBM的80列穿孔卡作為輸入和輸出，使用真空管處理二進制格式的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的存儲，則是使用的再生電容磁鼓存儲器（Regenerative Capacitor Memory）。

雖然ABC無法進行編程（僅用于求解線性方程組），但使用二進制數(shù)字來表示數(shù)據(jù)、使用電子元件進行計算（而非機械開關(guān)）、計算和內(nèi)存分離等特點，都足以證明它是一臺現(xiàn)代意義上的數(shù)字電子計算機。

1944年，在IBM公司的支持下，哈佛大學(xué)博士霍華德·艾肯?(Howard Aiken) 成功研制了通用電子計算機——Mark I，也稱ASCC（Automatic Sequence Controlled Calculator，自動控制序列計算器）。

Mark I長16米，重4.3噸，擁有75萬個零部件，使用了800公里長的電線，300萬個連接、3500個多極繼電器、2225個計數(shù)器。

它可以在一秒鐘內(nèi)進行3次加法或減法。乘法需要6秒，除法需要15.3秒，對數(shù)或三角函數(shù)需要超過1分鐘。當(dāng)時，它被用來為美國海軍計算彈道火力表。

值得一提的是，第一個在Mark I上運行的程序是由馮·諾依曼（John von Neumann）于1944年3月29日發(fā)起的。當(dāng)時，馮·諾依曼正在研究曼哈頓計劃，需要確定內(nèi)爆是否是原子彈的可行選擇。

還需要提一句，Mark I的研究團隊中，有一位名叫格蕾絲·霍珀（Grace Hopper）的海軍預(yù)備役女軍官?！癰ug”這個詞，就是她引入的。

1945年，Mark II在運行過程中，飛進了一只飛蛾，導(dǎo)致出現(xiàn)故障。霍珀消滅了飛蛾，解決了問題，成為第一個“調(diào)試（debug）”計算機的人。

終于，到了1946年2月，如本文開頭所說，ENIAC誕生了。

這里需要澄清一下，雖然人們一貫將ENIAC稱為世界上第一臺數(shù)字式電子計算機，但這個說法其實是有爭議的。前面提到的ABC，就是這個稱謂的有力爭奪者。

ENIAC甚至稱不上第二。那一時期問世的數(shù)字電子計算機很多，嚴格來說，ENIAC只能排第11。國外主流觀點認為，ENIAC的設(shè)計者盜竊了ABC的設(shè)計。1973年，美國法院也裁定，取消了ENIAC的專利，認定ENIAC專利是ABC的衍生品。

關(guān)于誰是第一，我們就不討論了。反正，1945年左右，電子計算機誕生的浪潮，標(biāo)志著人類算力正式進入了數(shù)字電子計算機時代。

波瀾壯闊的信息技術(shù)革命，即將開啟。


未完待續(xù)……

敬請期待——《世界算力簡史（下）：信息革命》

參考文獻：

1、《計算機的發(fā)展歷史匯總》，網(wǎng)絡(luò)；

2、《算力發(fā)展簡史》，?廬山真容；

3、《誰發(fā)明了 Mark I 計算機？》，thoughtco.com；
4、《機械史上的巔峰之作！來看看差分機》，前沿數(shù)控技術(shù)；

5、維基百科、百度百科；