從結繩記事到量子電腦：淺談電腦的發展史

最近，突發奇想，想在自己的頭條號裏建立一個合集，寫一些裝備（或者說技術吧）的發展史，比如火車的發展史，引擎的前進演化史，電腦，照相機，輪船，坦克等等這些吧，介紹它們從誕生到完善的過程，以及後續可定能的發展方向。合集名字就叫「奎目郎的科技歷史筆記」吧，作為一名差不多有25年的IT從業人員，我想就以講述電腦的前進演化歷程作為這個合集的開篇吧！寫的不好，謬誤之處，還望大家指正！

那麽，言歸正傳！首先，在說真正意義上的電子電腦之前，我們先聊一聊人類文明早期所使用的計算工具，畢竟人類利用工具來輔助計算（算數）已有至少數千年的歷史，這些工具包括石塊、貝殼、結繩、手指、小棒、算籌、算盤等。石塊和貝殼可以用來計數，結繩則更進階一點，可用於記錄數碼和事件，小棒和算籌可以用來進行簡單的算數運算，這已經是不小的進步了。

結繩記事

而我們中國人發明的算盤，則是一種更為先進的計算工具，也是專門用來計算的工具，可進行復雜的數學運算，其歷史可以追溯到商周時期，在中國，算盤一度被使用到上世紀末，至今，珠算仍是小學數學的必修課程之一。

算盤

除了算盤之外，還有一些其他的計算工具也值得一提。比如，巴比倫人使用的楔形算盤、埃及人使用的莎草紙、印度人使用的印章和珠算等。這些工具都為人類的發展做出了重要的貢獻，是人類文明的重要組成部份。

上世紀初期，在一艘約公元前65年遇難的沈船上，希臘人發現了有兩千多年歷史的安提凱希拉儀器（Antikythera Mechanism），這個機器號稱可以計算天體的執行周期，該物件由許多青銅齒輪和刻度盤組成，據稱可以模擬月球的運動，如果一切屬實，它算是人類歷史上最早期的模擬電腦。遺憾的是這個機器並沒有被傳承下來，人類要在1600多年後才發明出類似的電腦械！

時間來到17世紀初，蘇格蘭數學家納皮爾發明了一種可以進行對數計算的工具，叫做納皮爾的骨頭（Napier's bones），它由一個底座及九根圓柱（或方柱）組成，可以把乘法運算轉為加法，也可以把除法運算轉為減法。此外，更為進階的用法還可以開平方根，這種計算工具在清朝初年也傳入到了中國。十幾年後，一位英國牧師奧特雷德，也發明出一種基於對數圓形的計算工具比例環（Circles of Proportion）

納皮爾的骨頭（籌）

再往後，逐漸演化出了近代比較熟悉的計算尺（對數計算尺），它也是一種模擬電腦，而且一直被使用到上世紀七十年代。對數計算尺通常由兩個平行的標尺組成，其中一個標尺上刻有對數刻度，而另一個標尺上則刻有線性刻度。使用者透過滑動兩個標尺，將線性刻度上的數值對應到對數刻度上，實作對數運算。這種設計使得乘法和除法等對數運算轉化為簡單的加法和減法，從而簡化了復雜的計算過程。對數計算尺在計算精度和速度方面具有很大優勢，尤其是在沒有電子小算盤和電腦的年代，它為科學家、工程師和數學家提供了一種便捷而有效的計算工具。說阿波羅計劃的工程師們利用它將太空人們送上月球也不為過！電子小算盤普及以後，對數計算尺也就被淘汰了，如今也只剩下歷史文化價值了！喜歡的朋友們可以買一個玩玩，體驗別樣的計算樂趣！

對數計算尺

到這裏，咱們可以聊聊機械式小算盤了。時間來到17世紀初，德國科學家希卡德發明了世界上已知的第一部機械式小算盤。沒多久，法國數學家帕斯卡又發明了滾輪式加法器（也叫帕斯卡小算盤），可以透過轉盤進行加法運算，接著，德國著名的數學家萊布尼茨對帕斯卡小算盤進行改良，發明了可以四則運算的步進小算盤。這些東西都太金貴，無法量產，直到十九世紀二十年代以後，機械式小算盤才逐漸被廣泛使用。

滾輪式加法器

步進小算盤

誕生於1948年的科塔小算盤

真正可以被稱之為電腦的應該是可編程的通用電腦（不管是機械的還是電子的），也叫程式化的電腦，這就要從英國數學家巴貝奇（Charles Babbage）說起了，他於19世紀初在英國政府的支持下建造的基於十進位制的差分機，以及後來設計的更為復雜的分析機（更像真正意義上的電腦，因為它可以執行「條件」、「迴圈」語句的程式，有自己的記憶體）就屬於這個範疇，遺憾的是，因資金問題及和當時的技術條件限制，兩種機器都未能真正完工。不死心的他，在1849年，又開始著手建造第二台差分機，這台機器可以進行極其復雜的數學運算，精度能夠達到31位元，同樣可惜的是，在他的有生之年這台機器也沒有完工。但後來科學論證證明他的理論是正確的，他只是生不逢時而已。有點歷史底子的朋友應該能發現，自然科學在西方蓬勃發展的那個年代，我們中國腐朽的清王朝也已經被英國殖民者敲開了大門，正逐步淪為半殖民地半封建社會。

差分機七分之一完成品

部份分析機

回到正題，時間來到二戰前期，這個時期是模擬電腦（機械式和有動力驅動的機械式模擬電腦）最後的巔峰時期，這一時期的模擬電腦使用電子的，機械的或液壓的量等物理現象的不斷變化來模擬所要解決的問題。比如飛機的飛控系統、轟炸機的瞄準器、戰艦的火力控制系統都屬於這個範疇的模擬電腦，現代電腦之父萬尼瓦爾·布希發明的微分分析器（Differential analyzer）更是這個時代模擬電腦之巔峰代表作。

微分分析器

水流積算器

這裏本來應該已經可以探討真正的第一代電子電腦的故事了，為了更嚴謹一些，不得不提一下，在電子電腦真正到來前夕，有另外兩款電腦（姑且稱之為電腦吧）的存在，就是德國的楚澤電腦和英國秘密研發的巨人電腦，前者完全是基於機械制造，它使用浮點數，使用了二進制，拋棄了巴貝奇時代所使用的十進位制，並被後人證實它符合通用電腦的定義；後者算得上是完全電子化的電腦，制造它使用了很多的真空管，輸入方式是紙帶，不過，雖然它能夠做各種邏輯布爾運算，仍不具備圖靈完備的標準，還算不上是真正的通用電腦，算是功能型電腦吧，遺憾的是，巨人電腦後來被丘吉爾下令銷毀了，且並未留下什麽記錄，筆者也找不到更多的資料了。

楚澤電腦Z4

戰後，到了1946年，第一台真正意義（符合圖靈完備）上的通用電子電腦終於誕生了，制造它的目的是用於軍事（美國陸軍軍械部用於計算炮彈的彈道）用途，這也不奇怪，畢竟很多尖端的科技首先都是為軍事需求服務的。它的全稱是電子數值積分電腦（Electronic Numerical Integrator And Computer），簡稱為伊尼亞克（英文簡稱ENIAC，也音譯做埃尼阿克），問世於美國賓夕法尼亞大學，它的誕生徹底終結了模擬電腦。它的出現，具有劃時代的意義，表明了人類正式進入電腦時代，第三次科技革命開始。ENIAC屬於第一代電子電腦，真空管電腦，它使用了17468個電子真空管，體積大，耗電量也巨大，據說它一上電啟動，整個費城的燈光都會變暗！雖然功耗如此的大，但第一代電腦的運算速度只有幾千次每秒！效能還不及現在普通個人電腦的幾千分之一。

史上第一台電子電腦埃尼阿克

隨後的幾年裏，又出現了符合馮諾依曼（Von Neumann Architecture）結構的電腦，什麽是馮諾依曼結構呢，它是一種將程式指令記憶體和數據記憶體合並在一起的電腦設計概念結構，這個結構也隱含了將儲存器材與中央處理器分開的意思，符合這個結構的電腦被稱為儲存程式電腦。這種結構借由創造一組指令集結構，並將所謂的運算轉化成一串程式指令的執行細節，讓此機器更有彈性。借著將指令當成一種特別類別的靜態資料，一台儲存程式型電腦可輕易改變其程式，並在程控下改變其運算內容。現代電腦主要遵循的就是這個結構，它具備儲存程式、二進制系統、中央處理器、順序執行、輸入和輸出器材等特征。1951年6月，美國人口普查局使用上了通用自動電腦（UNIVAC I），UNIVAC是世界上第一型量產的馮諾依曼結構電腦。

UNIVAC I

早在1947年，晶體管就誕生了，使用晶體管路線的第二代電腦也隨之應運而生了，比較有代表性的是1958年由IBM公司研發的RCA501型，它是晶體管電腦，體積相較真空管電腦更小，壽命更長，效率也更高！運算速度從每秒幾千次提升到幾十萬次，記憶體的容量也大大提升。第二代電腦和前代一樣，仍然使用的是「面相機器」（機器語言和組合語言）的語言，不過它們的出現為高級語言的問世打下了基礎。

晶體管

IBM RCA501電腦

1964~1972年屬於集成電路電子電腦時代，也叫第三代電腦時代，或者集成電路電腦時代，小規模集成電路（IC）及中規模集成電路的發明和使用，一個芯片上整合了多個晶體管，相比上一代進一步減小了體積、更降低了成本。這一時期顯著的特點是出現了小型電腦（小型機），如DEC公司1965年推出的的PDP-8以及後來的PDP-11系列，還有IBM公司的IBM-360系列。集成電路時代的電腦運算速度提升到了每秒幾十萬次至幾百萬次，這一時期也出現了高級語言（一種獨立於機器，程序導向或物件的語言，比如C語言、BASIC語言）！小型機雖然縮小了體積，也降低了使用門檻，但昂貴的價格決定了它無法真正走進家庭。同樣，它的出現為日後微機的誕生締造了條件。

集成電路

PDP-8

事實上，在1967年的時候，更強悍的集成電路也已經在路上了，就是大規模集成電路，10年後又出現了超大規模集成電路，因此，基於大規模和超大規模集成電路的第四代電子電腦也就呼之欲出了。這裏最著名的要數IBM5150個人電腦，它也世界上首台個人電腦器（也就是我們現在所使用的微機），微處理器（CPU）也是這個時候誕生。比如說英特爾的4040（四位機）和8080（八位機）。

超大規模集成電路

intel 4040 CPU

IBM5150

時間來到上世紀八十年代初（也是筆者出生的年代），16位元和32位元個人電腦陸續出現，比如蘋果的Macintosh和IBM公司的PC/AT286微型電腦，都是16位元個人電腦的天花板級產品。32位元的微機在1983年（那時候筆者1歲）以後出現，年長一點的朋友所熟知的386、486處理器就是這個時期的產物。十年以後，64位元的處理器也出現了，比如80後最熟悉的英特爾著名的奔騰系列處理器，雖然，現在的CPU已經前進演化到了酷睿（最新產品為酷睿i9）時代，人工智能（AI）技術也呈現出爆發式的發展態勢，但電腦硬件的發展仍未脫離第四代的範疇，包括我們現在所使用的各種台式、手提電腦。電腦硬件的變革會持續到什麽時候仍尚未可知！

apple Macintosh

IBM PC-AT286

最後，讓我們暢想一下未來吧，其實前面說了那麽多，人類所發明的計算工具，從古至今，無非就模擬電腦和電子電腦兩類。盡管後者已經前進演化到第四代，但其仍未脫離電子電腦的範疇！下一個時代或許會屬於量子電腦和生物電腦，也許它們將引領人類科技史飛躍式的大變革。

量子電腦是一種利用量子力學原理進行資訊處理的全新電腦技術。與傳統電腦不同，量子電腦使用量子位元作為資訊的基本單位，而不再是經典位元。量子位元可以同時處於多個狀態，並且能夠透過量子疊加和量子纏結等特性進行資訊處理，這使得量子電腦在某些特定情況下具有比傳統電腦更強的計算能力，尤其是在解決一些復雜問題方面。

隨著量子計算技術的不斷發展，未來量子電腦將會在多個領域得到套用。例如，在密碼學領域，量子電腦可以破解傳統密碼演算法，從而對資訊保安構成威脅，因此需要發展新型的量子密碼學技術來保護資訊保安。在化學領域，量子電腦可以模擬和計算分子的量子力學行為，有助於設計和最佳化新的化學反應和材料。在最佳化問題領域，量子電腦可以解決一些組合最佳化問題，例如物流、路徑規劃等。

未來量子電腦的發展將取決於量子物理、量子演算法和量子測量等多個領域的技術進展。目前，全球各國都在積極開展量子計算的研究和套用探索，其中美國、中國、加拿大、澳洲等國家已經走在前列。雖然量子電腦還面臨著很多技術挑戰和物理限制，但是隨著技術的不斷進步和套用場景的不斷拓展，相信未來量子電腦將會成為一種重要的資訊處理工具。

30.量子電腦

生物電腦，也稱為仿生電腦或生物芯片電腦，是一種基於生物分子和生物體系進行資訊處理和儲存的新型電腦技術。

生物電腦的運算基礎不再是數學邏輯電路，而是基於生物化學反應的原理。生物電腦的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，以此作為生物芯片來替代傳統的半導體矽片，並利用有機化合物儲存數據。資訊以波的形式傳播，當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。這種生物電腦運算速度要比當今最新一代的電腦快10萬倍，具有很強的抗電磁幹擾能力，並能徹底消除電路間的幹擾。此外，生物電腦的能量消耗僅相當於普通電腦的十億分之一，且具有巨大的儲存能力。

生物電腦具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能，自動修復芯片上發生的故障，還能模仿人腦的機制等。因此，生物電腦不僅具有高效的資訊處理能力，而且還有潛力模仿人腦的功能，這為解決復雜的問題提供了新的思路。

未來生物電腦的發展將取決於多個學科領域的進展，包括生物學、化學、物理學和電腦科學等。隨著基因編輯技術和合成生物學的發展，我們可以設計和制造更加復雜的生物電腦系統。同時，隨著腦科學研究的深入，我們也可以更好地理解人腦的工作原理，從而更好地設計和模擬生物電腦。

雖然生物電腦還面臨著很多技術挑戰和倫理問題，但是隨著技術的不斷進步和套用場景的不斷拓展，相信未來生物電腦將會成為一種重要的資訊處理工具。在這裏，我們不妨大膽的預言一下：生物電腦誕生的那天或許就是人類稱為造物主的那天！說不定，近年來，在地球上頻繁活動UFO就是某些高等文明的生物電腦呢？

總而言之，我們可以大膽的把電腦的發展歸為三個時期：模擬電腦時期、電子電腦時期以及尚未到來的量子電腦或生物電腦時代，它們分別對應過去、現在和未來！

就說到這吧，不當之處，還請指正！順便申明一下，文章側重的是人類發明計算工具的歷史，並不涉及它們的技術原理剖析，畢竟本人才疏學淺，既無精力也無能力詳盡的闡述技術上的各種細節，還請諸位看官見諒！如需了解某一時期電腦技術的始末，可透過搜尋引擎搜尋或求助時下流行的AI語言大模型。