早期計算都經(jīng)歷了什么？20世紀(jì)初，像制表機(jī)這樣有特定用途的設(shè)備，代替了人工操作。

20世紀(jì)上半葉，世界人口幾乎翻一翻，全球也開始進(jìn)行貿(mào)易和運(yùn)輸，這就使得人們對自動化計算機(jī)的需求日益增長，而從開始的算盤到需要花費巨資來維護(hù)的龐然大物，為未來的計算機(jī)打下了堅實的基礎(chǔ)。

一、計算機(jī)術(shù)語 "bug" 從何而來

哈佛馬克1號（Harvard Mark I）于1944年在第二次世界大戰(zhàn)中由 IBM 作為同盟國而建造，它是最大的電子計算機(jī)之一。

其中組件765000個，連接點3百萬個，導(dǎo)線長度500英里，為了保持內(nèi)部機(jī)械裝置同步，還用了5馬力功率的電機(jī)驅(qū)動一個50英尺長的傳動軸。

這臺機(jī)器的核心部件是繼電器，在繼電器內(nèi)部，有根決定電路是否閉合的控制線，控制線連著繼電器里的線圈，當(dāng)電流經(jīng)過線圈時，產(chǎn)生電磁場，在電磁場的作用下，繼電器吸合。

繼電器工作原理

哈佛馬克1號做加減法每秒3次，乘法每6秒1次，除法每15秒1次，三角函數(shù)之類的可能會超過1分鐘。

除了速度慢，還有機(jī)械磨損，任何會動的機(jī)器都有機(jī)械磨損，如果有齒輪壞了，速度會更慢，進(jìn)而影響工作效率。

那現(xiàn)在咱們來討論一下繼電器，哈佛馬克1號上有大約3500個繼電器，假設(shè)一個繼電器的機(jī)械壽命是10年，平均一下，每天就得換掉一個故障繼電器，如果是需要運(yùn)行很多天的重要計算，這將是一個很嚴(yán)重的問題。

這些機(jī)器不僅體積大，散熱厲害，而且會吸引蟲子，1947年9月，哈佛馬克2號（Harvard Mark II）的操作員從故障機(jī)器中取出了一只死掉的飛蛾，從那時起當(dāng)電腦一出現(xiàn)問題，人們就會說里面有只蟲子（bug），這就是計算機(jī)術(shù)語 "bug" 的來源。

如果想進(jìn)一步推進(jìn)計算能力，那就得找更快更可靠的東西代替繼電器。

二、從真空管到第一臺可編程通用電子計算機(jī)

真空管工作原理

1904年英國物理學(xué)家，約翰·安布羅斯·弗萊明開發(fā)了一種全新的電子部件叫“熱電子管”，也是世上第一個真空管。

在真空管里放2個電極，通過加熱一個電極使其發(fā)射電子，稱為“熱電子發(fā)射”，另一個電極吸引這些電子，形成電流，這些移動的電子都帶有正電荷，這種只允許電流單向移動的器件叫二極管。

三極管工作原理

1906年，美國發(fā)明家李·德富雷斯特參考弗萊明的設(shè)計，在兩個電極之間加入第三個“控制”電極，向控制電極施加正電荷使電子移動，向控制電極施加負(fù)電荷阻止電子移動，這種可以通過“控制”電極來閉合/斷開電路的器件叫三極管。

它和繼電器的功能基本一樣，不同的是，真空管內(nèi)沒有部件，極大的減少了磨損，而且開關(guān)次數(shù)可以達(dá)到每秒千次。

20世紀(jì)40年代，真空管才使用在計算機(jī)中，這也標(biāo)志著人們開始從機(jī)械計算進(jìn)入電子計算時代。

第一次大規(guī)模使用真空管是在工程師Tommy Flowers設(shè)計的Colossus Mk 1上，它完工于1943年12月，用來幫助解密納粹通信。

第一版的Colossus有1,600個真空管，也是第一個可編程的電子計算機(jī)，編程方法是把幾百根電線插到插板里，使計算機(jī)執(zhí)行正確的操作，雖然它“可編程”，但還是需要人工設(shè)置才能執(zhí)行特定的計算。

1946年，在賓夕法尼亞大學(xué)，John Mauchly和J. Presper Eckert設(shè)計的電子數(shù)值積分計算機(jī) "ENIAC"成功出世，是世上第一臺通用“可編程”的“電子”計算機(jī)。

它每秒可執(zhí)行5000次十位數(shù)加減法，據(jù)估計，它的運(yùn)算量超過了全人類有史以來的所有運(yùn)算。

直到1950年，真空管的計算已經(jīng)被運(yùn)用到了極限。

三、從晶體管的誕生到計算機(jī)步入人類生活

為了降低計算機(jī)的成本，減小尺寸，更進(jìn)一步提高可靠性和計算速度，貝爾實驗室科學(xué)家John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley于1947年發(fā)明了全新的電子開關(guān)——晶體管，它的出現(xiàn)標(biāo)志著一個全新的計算時代的誕生！

晶體管工作原理

晶體管就是一個開關(guān)，它是由導(dǎo)電材料隔開的兩個電極組成，這些材料會在一定條件下導(dǎo)電或不導(dǎo)電，因此稱之為半導(dǎo)體。

晶體管與真空管不同，它是固態(tài)組件，體積可以做到比世上最小的繼電器和真空管還要小，這也為后來更小更便宜的計算機(jī)打下了基礎(chǔ)。

1957年發(fā)行的IBM 608就是第一個用晶體管供電，可以在市面上買得到的計算機(jī)。它有3000個晶體管，每秒可執(zhí)行4500次加法或每秒大約80次乘除法。

晶體管的誕生使計算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入辦公室，并不斷普及至家庭。

現(xiàn)如今，計算機(jī)里的晶體管可以做到尺寸小于50納米，速度可以達(dá)到每秒切換數(shù)百萬次，使用壽命長達(dá)幾十年。

我們從繼電器到真空管，再到晶體管，不斷讓開關(guān)電路的速度變得更快，但我們又是怎么用晶體管來進(jìn)行實際計算呢？我們明天再聊。