第五十四章人脑物化的杰作
电子计算机的发明
电子计算机是20世纪最伟大的发明之一。无数科学家为它的发明和发展呕心沥血，作出了
不朽的贡献。20世纪，随着电子管和晶体管的发明，电子计算机以迅雷不及掩
之势神速发展，广涉人类的军事、科技、经济、文化、政治和娱乐领域，对人类的生活方式
和思维方式产生了并将继续产生难以估量的影响。
加减乘除费尽心机
在1945年第一代(台)电子计算机诞生之前，人们对类似这种机器的探寻大约已有300多年的
历史了。
1641年，法国数学家帕斯卡设计了一台齿轮传动计算机，它可以做8位数的加法。1672年，
德国数学家、物理学家莱布尼兹在帕斯卡机的基础之上，研制成功了可以进行乘除运算的机
计算机。莱布尼兹同时汲取中国《易经》中“阴阳”思想的精髓，发明了二进位制，后来成
为计算机运行逻辑中“1”、“0”或“开”、“关”机制的源头。以后，机械计算机不断得
到改进。1818年，法国人托马斯设计了一种原理简单、操作方便的机械计算机。这种计算机
非常实用，而且便于批量生产，从此使计算机走出实验室，进入社会。这种类型的计算机直
到20世纪40年代还在使用。
19世纪早期，法国人J·M·雅卡尔发明了一种衣布织机，使用了穿孔卡控制衣布花样，这一
构思帮助其他人发明了新的计算机。1820年，汤姆斯改进了莱布尼兹计算器，造出所谓算术
机。
但是，最有影响的还是英格兰人查尔斯·巴贝奇发明的第一台机械数字通用计算机，又叫
“机械式差分计算机”或“差分机”。
巴贝奇的灵感之一是设想用穿孔编码卡片来使运算过程自动化，这是他从雅卡尔动力织机
那儿得到的启示。1801年，法国纺织机械制造商约瑟夫·雅卡尔为使织丝锦缎自动化，发明
了这种织机。他利用穿孔卡纸上孔眼的排列引导织机上的梭子，织出某种图案来。这个装置
的运转方式类似自动钢琴中穿孔滚筒的运转方式。
巴贝奇设想发明一台机器，它可以独自解决各种复杂数学问题，包括进行一系列独立的运算
。他设
想，这种机器至少需要5个独立的部分：①输入机构，向机器输入为提出问题和解决问题所
需的信息；②存储器，保存所输入的资料以待机器需要时用；③运算器，进行实际运算；④
控制器，告诉机器何时和怎样使用所储存的信息；⑤输出装置，给出打印出的答案。
多年以后，设计出第一批电子计算机的人，正是遵循了与此非常类似的方案。
继巴贝奇的“分析机”之后，1835年，一位女数学家阿达·拜伦建议巴贝奇利用雅卡尔发明
的穿孔卡为他的计算机编制程序，并亲自编制了分析机的一些程序。这成为计算机程序的最
起源。1890年，美国人赫尔曼·霍勒里思发明了一种计算机，成功地利用穿孔带以电的方式
计数
美国第十次人口普查中收集的信息。而布鲁斯制造的“累加和登记机”，则统计出了美国18
90年的准确人口数。
历史进入20世纪，计算机技术在头30年里居然没有显著进展，直到1936年，计算机设计理论
才取
得了重大突破。美国逻辑学家波斯特和英国数学家图林各自发表了一篇有影响的论文。
第二年，现代信息论的创始人香农在他的硕士论文中最先证明，由19世纪英国数学逻辑学家
布尔所
建立的二进制数学逻辑理论可用于简化二进制计算机的设计。同年，贝尔电话实验室的
斯梯比兹制成第一台继电器式计算机。1939
年，他又制造出机电式“复数计算机”，这就是贝尔1型继电器计算机的原型。安德鲁斯参
与并相继研制出贝尔2型机和贝尔3型机。它们的运算速度超过了以往任何计算机，与此同时
，由
霍勒里思创办的国际商业机器公司也生产出由哈佛大学毕业生艾肯构思出来的Mark-1计算机
，这是一台自动定序计算机，占地面积2 500平方英尺，内含80万个部件，有60个常数存储
器，能进行对数、正弦函数等超越函数的计算，一道加法需0.3秒钟，乘法需3秒钟。
但是，这些都远不是现代意义上的“电脑”。尽管电子管早在二战前30多年就已经问世，但
由于没能和计算技术联姻，便也不能孕育真正的电脑。只是由二战中迫在眉睫的弹道计算的
需要，才迫使科学家们将二者结合起来，最终导致了电脑的产生。
天赐灵感ABC诞生
20世纪电子技术的飞速发展为电子计算机的诞生创造了必要的技术前提，尤其是阿塔纳索
发明电子管以后，为研制高速计算机提供了优良的基本器件。三极电子管栅极控制电流开关
的速度比电磁继电器快了10 000倍，用电子管代替齿轮装置和电磁继电器，就有可能使运算
速度从机械运动水平提高到电子运动水平，这就为电子计算机的产生作好了充分的准备。
1937年冬天，阿塔纳索夫
产生在计算机中引进电子技术的设想，并很快就向学院申报了设计制造方案。
在沙塔纳索夫及其助手贝利的共同努力下，这种用电子技术装备起来的计算机造成了，可以
求解含有30个未知数的一次联立方程组，功能强大无比。他将计划中的计算机命
名为 Atanasoff—Berry—computre，意即“阿塔纳索夫—贝利计算机”，简称为ABC计
算机。
经过两年的努力，他们终于制成了计算机内的一个关键部件——控制器。ABC计算机的逻辑
结构和电子电路设计，为以后的电子计算机的研制起到了至关重要的作用。
巨型机器开天辟地
在第二次世界大战中，如何击落法西斯侵略者的飞机和各种高速的飞弹成了军事科学的首要
议题，弹道计算问题成了关键环节。
美国炮兵部队阿伯丁弹道研究实验室采用了当时最先进的专业机械计算机——布什微分分析
机来计算弹道表，但这种计算机经常出故障。由于美国参加了战争，弹道计算工作量迅速增
长，于是就招募了大量专业人员参与计算工作。当时，物理学的发展使人们对“电”与“电
子”的性能已有一定认识，机电计算机(全部采用继电器)已经崭露头角，“电子管”等一些
电子元件已经问世。宾夕法尼亚大学莫尔学院已经研制了一种电子放大器来代替布什计算机
的机械放大器，并研制出了光电曲线仪来记录输入输出。弹道研究实验室的负责人意识到这
些进展对计算工作意义重大。1943年初，应弹道研究实验室的要求，莫尔学院年轻的物理
家莫克利和埃克特提交了研制“电子数字积分和计算机”(electronic numerical integrat
or and computer, 简称ENIAC，中文译名“艾尼阿克”)的技术报告。1943年，这个计划正
式实施，莫克利提出了电子计算机的总体设计方案，埃克特担任总工程师。人类历史上第一
台电子计算机试制工作的序幕，就这样拉开了。
1943年“艾尼阿克”试制计划开始实施了。方案的提出者莫克利教授出任总设计师一职
。24岁的埃克特担任总工程师，在制造过程中遇
到的一系列复
的工程技术问题，都由他负责解决。年轻的逻辑学家勃克斯参与逻辑软件的设计工作。风华
正茂的戈德斯坦中尉作为杰出的组织者和数学家，在数学上提供十分有益的建议。整个工程
吸收了大约200多人，经过两年多艰苦的创造性劳动，“艾尼阿克”的试制工作终于胜利完
成了。
1945年底，这台标志着人类智力解放的巨大机器，庄严地宣告竣工。1946年2月15日，在正
式的揭幕仪式上，艾尼阿克做了第一次公开表演。
此时，第二次世界大战的炮火早已停息，艾尼阿克虽未能直接为反法西斯战争立下功勋，但
它却给全世界、给全人类带来了不可估量的伟大影响。
第一台电子计算机是个笨重的庞然大物，它占地170平方米，总重量达30吨，其耗电达150千
瓦/时。它里面约有18 000个电子管，1 500个继电器，7英里长的铜丝和50万个焊接头代替
了马克的760 000个转动机件及无数的电阻、电容等，信息由快速的电脉冲传送。当然
，艾尼阿克的计算速度是无与伦比的，它每秒钟可作5 000次运算，比当时已有的最快的继
电器式计算机要快上1 000倍。它可以胜任广泛的科学计算。当时计算中的最复杂的问题，
要数描写旋转体周
围气流的五个双曲型偏微分方程组了，这个问题如果让机电式计算机来计算，需要花一个月
以上的时间；如让人工手算，则要花上几年时间，而艾尼阿克仅用一个小时，就把结果准确
无误地全部告诉了人们。
艾尼阿克的诞生实现了多年来人类将电子技术应用于计算机的梦想，为进一步提高运算速度
开辟了极为广阔的前景。
尽管这些，艾尼阿克是人类计算工具发展史上一座不朽的丰碑。它是世界上第一台真正能运
转的大型电子计算机。正是它同几年后制成的冯·诺伊曼机一起，奠定了现代计算机原型。
艾尼阿克连同它的设计者的名字已被永久地载入了史册。
精益求精层出不穷
1944年，冯·诺伊曼参与了莫尔学院的工作，他指出了“艾尼阿克”的缺点。“艾尼阿克”
的一个弱点就是它的程序设计是外部输入型的，必须通过事先改变开关位置和联接线路将程
序输入，要计算一个新问题需要花数周时间检查和输入程序。经过与其他专家的反复研究和
论，他提出了“电子离散变量自动计算机”(electronic discrete variable automatic co
mputer，简称EDVAC)的设计方案。这个方案相对于“艾尼阿克”有两个重大改进，一是改十
进制计算为二进制；二是不再用外插线路将程序输入，设计了专门用于储存数据和程序的存
储器。这个设计方案确定了现代计算机的5个基本部件：输入器、输出器、运算器、存储器
、控制器。这种设计结构被尊称为“冯·诺伊曼结构”，仍然用于现在的计算机。后来，ED
VAC的研制工作移师普林斯顿高等研究院。1951年，机器交付使用时，又作了两大改进，一
是将串行计算改为并行计算；二是将同步控制改为异步控制。它的计算速度比“艾尼阿克”
快240倍。
发展迅速前景广阔
从第一台计算机问世以来的短短50余年间，电子计算机已发展到第4代产品。人们正在为研
制第5代智能计算机而努力，这么快的发展速度是任何人在事先都难以想象的。
ENIAC和EDVAC的主要元件用的都是电子管，这是第一代电子计算机，此后，电子计算机的发
展又经过了三代。1948年，晶体管问世，因此从1956年开始，计算机的主要器件逐步由电子
改为晶体管，并采用了磁芯存储器，这使得第二代计算机的体积大大缩小，而且降低了计算
机的能耗，使运算的速度大大提高了。这一时期计算机的速度可以达到每秒千万次浮点运算
。另一方面，计算机的价格不断下降，使计算机在其他行业得到了广泛的应用。尽管以晶
体管替代
电子管使计算机产生飞跃性的发展，但晶体管工作时产生的热量仍然容易使计算机脆弱的内
部元件受损。1958年，美国德州仪器公司的工程师成功地在硅片上把多个电子元件结合在一
起，并称之为“集成电路”。集成电路使计算机的体积缩小，功耗、价格进一步下降，速度
与可靠性相应提高。第三代计算机的速度最快可达每秒100万次。第四代是大规模集成电路
计算机，目前应用得最广泛的个人电脑就属此列。集成电路出现以后，惟一可发展的方向
就是
使硅片变得更小，电路集成度越来越高，80年代出现的超大规模集成电路，一块芯片上包含
了数百万个元件。
随着大规模集成电路的迅速发展，计算机的发展实现多元化：有一般的商用台式机，有专门
于劣环境下的工控机，也有用于科学计算的巨型机，等等。计算机的价格越来越低，速度越
来越
快。90年代初还只能在工厂和大学实验室看到的计算机，如今已经走入家庭。这些计算机除
了运算速度成倍增长外，还可播放声音与图像。目前，日本、美国等一些发达国家已经开始
第五代计算机的研究，使计算机向着智能化方向发展。
现代计算机是20世纪、也是人类历史上最伟大的发明之一。虽然，它只是作为进行数值计算
超级计算机被发明出来的，但是，计算机自从问世以来，已经对人类社会的经济、政治、法
律、教育、哲学、心理等方面都产生了巨大影响。随着计算