从结绳记事到量子计算机：浅谈计算机的发展史

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最近，突发奇想，想在自己的头条号里创建一个合集，写一些装备（或者说技术吧）的发展史，比如火车的发展史，引擎的进化史，计算机，照相机，轮船，坦克等等这些吧，介绍它们从诞生到完善的过程，以及后续可定能的发展方向。合集名字就叫“奎目郎的科技历史笔记”吧，作为一名差不多有25年的IT从业人员，我想就以讲述计算机的进化历程作为这个合集的开篇吧！写的不好，谬误之处，还望大家指正！

那么，言归正传！首先，在说真正意义上的电子计算机之前，我们先聊一聊人类文明早期所使用的计算工具，毕竟人类利用工具来辅助计算（算数）已有至少数千年的历史，这些工具包括石块、贝壳、结绳、手指、小棒、算筹、算盘等。石块和贝壳可以用来计数，结绳则更进阶一点，可用于记录数字和事件，小棒和算筹可以用来进行简单的算数运算，这已经是不小的进步了。

结绳记事

而我们中国人发明的算盘，则是一种更为先进的计算工具，也是专门用来计算的工具，可进行复杂的数学运算，其历史可以追溯到商周时期，在我国，算盘一度被使用到上世纪末，至今，珠算仍是小学数学的必修课程之一。

算盘

除了算盘之外，还有一些其他的计算工具也值得一提。比如，巴比伦人使用的楔形算盘、埃及人使用的莎草纸、印度人使用的印章和珠算等。这些工具都为人类的发展做出了重要的贡献，是人类文明的重要组成部分。

上世纪初期，在一艘约公元前65年遇难的沉船上，希腊人发现了有两千多年历史的安提凯希拉仪器（Antikythera Mechanism），这个机器号称可以计算天体的运行周期，该物件由许多青铜齿轮和刻度盘组成，据称可以模拟月球的运动，如果一切属实，它算是人类历史上最早期的模拟计算机。遗憾的是这个机器并没有被传承下来，人类要在1600多年后才发明出类似的计算机械！

安提凯希拉仪器

时间来到17世纪初，苏格兰数学家纳皮尔发明了一种可以进行对数计算的工具，叫做纳皮尔的骨头（Napier’s bones），它由一个底座及九根圆柱（或方柱）组成，可以把乘法运算转为加法，也可以把除法运算转为减法。此外，更为进阶的用法还可以开平方根，这种计算工具在清朝初年也传入到了我国。十几年后，一位英国牧师奥特雷德，也发明出一种基于对数圆形的计算工具比例环（Circles of Proportion）

纳皮尔的骨头（筹）

再往后，逐渐演化出了近代比较熟悉的计算尺（对数计算尺），它也是一种模拟计算机，而且一直被使用到上世纪七十年代。对数计算尺通常由两个平行的标尺组成，其中一个标尺上刻有对数刻度，而另一个标尺上则刻有线性刻度。用户通过滑动两个标尺，将线性刻度上的数值对应到对数刻度上，实现对数运算。这种设计使得乘法和除法等对数运算转化为简单的加法和减法，从而简化了复杂的计算过程。对数计算尺在计算精度和速度方面具有很大优势，尤其是在没有电子计算器和计算机的年代，它为科学家、工程师和数学家提供了一种便捷而有效的计算工具。说阿波罗计划的工程师们利用它将宇航员们送上月球也不为过！电子计算器普及以后，对数计算尺也就被淘汰了，如今也只剩下历史文化价值了！喜欢的朋友们可以买一个玩玩，体验别样的计算乐趣！

对数计算尺

到这里，咱们可以聊聊机械式计算器了。时间来到17世纪初，德国科学家希卡德发明了世界上已知的第一部机械式计算器。没多久，法国数学家帕斯卡又发明了滚轮式加法器（也叫帕斯卡计算器），可以通过转盘进行加法运算，接着，德国著名的数学家莱布尼茨对帕斯卡计算器进行改良，发明了可以四则运算的步进计算器。这些东西都太金贵，无法量产，直到十九世纪二十年代以后，机械式计算器才逐渐被广泛使用。

滚轮式加法器

步进计算器

诞生于1948年的科塔计算器

真正可以被称之为计算机的应该是可编程的通用计算机（不管是机械的还是电子的），也叫程式化的计算机，这就要从英国数学家巴贝奇（Charles Babbage）说起了，他于19世纪初在英国政府的支持下建造的基于十进位制的差分机，以及后来设计的更为复杂的分析机（更像真正意义上的电脑，因为它可以执行“条件”、“循环”语句的程序，有自己的存储器）就属于这个范畴，遗憾的是，因资金问题及和当时的技术条件限制，两种机器都未能真正完工。不死心的他，在1849年，又开始着手建造第二台差分机，这台机器可以进行极其复杂的数学运算，精度能够达到31位，同样可惜的是，在他的有生之年这台机器也没有完工。但后来科学论证证明他的理论是正确的，他只是生不逢时而已。有点历史底子的朋友应该能发现，自然科学在西方蓬勃发展的那个年代，我们中国腐朽的清王朝也已经被英国殖民者敲开了大门，正逐步沦为半殖民地半封建社会。

差分机七分之一完成品

部分分析机

回到正题，时间来到二战前期，这个时期是模拟计算机（机械式和有动力驱动的机械式模拟计算机）最后的巅峰时期，这一时期的模拟计算机使用电子的，机械的或液压的量等物理现象的不断变化来模拟所要解决的问题。比如飞机的飞控系统、轰炸机的瞄准器、战舰的火力控制系统都属于这个范畴的模拟计算机，现代电脑之父万尼瓦尔·布希发明的微分分析器（Differential analyzer）更是这个时代模拟计算机之巅峰代表作。

微分分析器

水流积算器

这里本来应该已经可以探讨真正的第一代电子计算机的故事了，为了更严谨一些，不得不提一下，在电子计算机真正到来前夕，有另外两款电脑（姑且称之为电脑吧）的存在，就是德国的楚泽电脑和英国秘密研发的巨人电脑，前者完全是基于机械制造，它使用浮点数，使用了二进制，抛弃了巴贝奇时代所使用的十进位制，并被后人证实它符合通用电脑的定义；后者算得上是完全电子化的电脑，制造它使用了很多的真空管，输入方式是纸带，不过，虽然它能够做各种逻辑布尔运算，仍不具备图灵完备的标准，还算不上是真正的通用计算机，算是功能型电脑吧，遗憾的是，巨人电脑后来被丘吉尔下令销毁了，且并未留下什么记录，笔者也找不到更多的资料了。

楚泽电脑Z4

战后，到了1946年，第一台真正意义（符合图灵完备）上的通用电子计算机终于诞生了，制造它的目的是用于军事（美国陆军军械部用于计算炮弹的弹道）用途，这也不奇怪，毕竟很多尖端的科技首先都是为军事需求服务的。它的全称是电子数值积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer），简称为伊尼亚克（英文简称ENIAC，也音译做埃尼阿克），问世于美国宾夕法尼亚大学，它的诞生彻底终结了模拟计算机。它的出现，具有划时代的意义，表明了人类正式进入计算机时代，第三次科技革命开始。ENIAC属于第一代电子计算机，真空管计算机，它使用了17468个电子真空管，体积大，耗电量也巨大，据说它一上电启动，整个费城的灯光都会变暗！虽然功耗如此的大，但第一代计算机的运算速度只有几千次每秒！性能还不及现在普通个人电脑的几千分之一。

真空管

史上第一台电子计算机埃尼阿克

随后的几年里，又出现了符合冯诺依曼（Von Neumann Architecture）结构的计算机，什么是冯诺依曼结构呢，它是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的电脑设计概念结构，这个结构也隐含了将存储设备与中央处理器分开的意思，符合这个结构的电脑被称为存储程序计算机。这种结构借由创造一组指令集结构，并将所谓的运算转化成一串程序指令的执行细节，让此机器更有弹性。借着将指令当成一种特别类型的静态资料，一台存储程序型电脑可轻易改变其程序，并在程控下改变其运算内容。现代电脑主要遵循的就是这个结构，它具备存储程序、二进制系统、中央处理器、顺序执行、输入和输出设备等特征。1951年6月，美国人口调查局使用上了通用自动计算机（UNIVAC I），UNIVAC是世界上第一型量产的冯诺依曼结构电脑。

UNIVAC I

早在1947年，晶体管就诞生了，使用晶体管线路的第二代电脑也随之应运而生了，比较有代表性的是1958年由IBM公司研发的RCA501型，它是晶体管计算机，体积相较真空管计算机更小，寿命更长，效率也更高！运算速度从每秒几千次提升到几十万次，存储器的容量也大大提升。第二代计算机和前代一样，仍然使用的是“面相机器”（机器语言和汇编语言）的语言，不过它们的出现为高级语言的问世打下了基础。

晶体管

IBM RCA501计算机

1964~1972年属于集成电路电子计算机时代，也叫第三代电脑时代，或者集成电路电脑时代，小规模集成电路（IC）及中规模集成电路的发明和使用，一个芯片上集成了多个晶体管，相比上一代进一步减小了体积、更降低了成本。这一时期显著的特点是出现了小型计算机（小型机），如DEC公司1965年推出的的PDP-8以及后来的PDP-11系列，还有IBM公司的IBM-360系列。集成电路时代的计算机运算速度提升到了每秒几十万次至几百万次，这一时期也出现了高级语言（一种独立于机器，面向过程或对象的语言，比如C语言、BASIC语言）！小型机虽然缩小了体积，也降低了使用门槛，但昂贵的价格决定了它无法真正走进家庭。同样，它的出现为日后微机的诞生缔造了条件。

集成电路

PDP-8

事实上，在1967年的时候，更强悍的集成电路也已经在路上了，就是大规模集成电路，10年后又出现了超大规模集成电路，因此，基于大规模和超大规模集成电路的第四代电子计算机也就呼之欲出了。这里最著名的要数IBM5150个人计算机，它也世界上首台个人计算机器（也就是我们现在所使用的微机），微处理器（CPU）也是这个时候诞生。比如说英特尔的4040（四位机）和8080（八位机）。

超大规模集成电路

intel 4040 CPU

IBM5150

时间来到上世纪八十年代初（也是笔者出生的年代），16位和32位个人计算机陆续出现，比如苹果的Macintosh和IBM公司的PC/AT286微型计算机，都是16位个人计算机的天花板级产品。32位的微机在1983年（那时候笔者1岁）以后出现，年长一点的朋友所熟知的386、486处理器就是这个时期的产物。十年以后，64位的处理器也出现了，比如80后最熟悉的英特尔著名的奔腾系列处理器，虽然，现在的CPU已经进化到了酷睿（最新产品为酷睿i9）时代，人工智能（AI）技术也呈现出爆发式的发展态势，但计算机硬件的发展仍未脱离第四代的范畴，包括我们现在所使用的各种台式、手提电脑。电脑硬件的变革会持续到什么时候仍尚未可知！

apple Macintosh

IBM PC-AT286

intel386处理器

八零后比较熟悉的英特尔Pentium Ⅲ处理器

intel酷睿i9处理器

现代的个人电脑

最后，让我们畅想一下未来吧，其实前面说了那么多，人类所发明的计算工具，从古至今，无非就模拟计算机和电子计算机两类。尽管后者已经进化到第四代，但其仍未脱离电子计算机的范畴！下一个时代或许会属于量子计算机和生物计算机，也许它们将引领人类科技史飞跃式的大变革。

量子计算机是一种利用量子力学原理进行信息处理的全新计算机技术。与传统计算机不同，量子计算机使用量子比特作为信息的基本单位，而不再是经典比特。量子比特可以同时处于多个状态，并且能够通过量子叠加和量子纠缠等特性进行信息处理，这使得量子计算机在某些特定情况下具有比传统计算机更强的计算能力，尤其是在解决一些复杂问题方面。

随着量子计算技术的不断发展，未来量子计算机将会在多个领域得到应用。例如，在密码学领域，量子计算机可以激活成功教程传统密码算法，从而对信息安全构成威胁，因此需要发展新型的量子密码学技术来保护信息安全。在化学领域，量子计算机可以模拟和计算分子的量子力学行为，有助于设计和优化新的化学反应和材料。在优化问题领域，量子计算机可以解决一些组合优化问题，例如物流、路径规划等。

未来量子计算机的发展将取决于量子物理、量子算法和量子测量等多个领域的技术进展。目前，全球各国都在积极开展量子计算的研究和应用探索，其中美国、中国、加拿大、澳大利亚等国家已经走在前列。虽然量子计算机还面临着很多技术挑战和物理限制，但是随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，相信未来量子计算机将会成为一种重要的信息处理工具。

30.量子计算机

量子计算

生物计算机，也称为仿生计算机或生物芯片计算机，是一种基于生物分子和生物体系进行信息处理和存储的新型计算机技术。

生物计算机的运算基础不再是数学逻辑电路，而是基于生物化学反应的原理。生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，以此作为生物芯片来替代传统的半导体硅片，并利用有机化合物存储数据。信息以波的形式传播，当波沿着蛋白质分子链传播时，会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化。这种生物计算机运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，具有很强的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰。此外，生物计算机的能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。

生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能，自动修复芯片上发生的故障，还能模仿人脑的机制等。因此，生物计算机不仅具有高效的信息处理能力，而且还有潜力模仿人脑的功能，这为解决复杂的问题提供了新的思路。

未来生物计算机的发展将取决于多个学科领域的进展，包括生物学、化学、物理学和计算机科学等。随着基因编辑技术和合成生物学的发展，我们可以设计和制造更加复杂的生物计算机系统。同时，随着脑科学研究的深入，我们也可以更好地理解人脑的工作原理，从而更好地设计和模拟生物计算机。

虽然生物计算机还面临着很多技术挑战和伦理问题，但是随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，相信未来生物计算机将会成为一种重要的信息处理工具。在这里，我们不妨大胆的预言一下：生物计算机诞生的那天或许就是人类称为造物主的那天！说不定，近年来，在地球上频繁活动UFO就是某些高等文明的生物计算机呢？

想象中基于生物计算机的类人机器人

总而言之，我们可以大胆的把计算机的发展归为三个时期：模拟计算机时期、电子计算机时期以及尚未到来的量子计算机或生物计算机时代，它们分别对应过去、现在和未来！

就说到这吧，不当之处，还请指正！顺便申明一下，文章侧重的是人类发明计算工具的历史，并不涉及它们的技术原理剖析，毕竟本人才疏学浅，既无精力也无能力详尽的阐述技术上的各种细节，还请诸位看官见谅！如需了解某一时期计算机技术的始末，可通过搜索引擎搜索或求助时下流行的AI语言大模型。