世界算力簡史（中）

2023-08-13 13:51:35|

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接上集：世界算力簡史（上）

在上一篇里，小棗君提到了 ENIAC 的誕生。

(資料圖片)

其實(shí)，在 1945 年-1948 年，也就是我們中國還處于內(nèi)戰(zhàn)時(shí)期時(shí)，除了 ENIAC 誕生外，科技領(lǐng)域還發(fā)生了好幾件大事。這些大事相互作用，最終徹底改變了人類的命運(yùn)。

第一件大事：馮?諾依曼架構(gòu)的提出

馮?諾依曼（John Von Neumann）是美籍匈牙利人，1903 年出生，1930 年移民美國，成為普林斯頓大學(xué)的教授。

馮?諾依曼

1944 年，馮?諾依曼開始參與原子彈的研制。因?yàn)檠兄七^程需要進(jìn)行大量的計(jì)算，他就開始關(guān)注計(jì)算機(jī)相關(guān)的研究進(jìn)展。經(jīng)人引薦，他作為顧問，參與到了 ENIAC 的研究中。

基于 ENIAC 的研究，馮?諾依曼等人在 1945 年又提出了一個(gè)新的方案 ——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，電子離散變量計(jì)算機(jī)）。

在馮?諾依曼撰寫的總結(jié)報(bào)告《關(guān)于 EDVAC 的報(bào)告草案》中，他詳細(xì)闡述了一種制造電子計(jì)算機(jī)和進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的新思路，并設(shè)計(jì)了由運(yùn)算器、邏輯控制、存儲器、輸入和輸出設(shè)備組成的新型架構(gòu)。

是的沒錯(cuò)，這就是著名的馮?諾依曼架構(gòu)。

馮?諾依曼架構(gòu)

直到現(xiàn)在，馮?諾依曼架構(gòu)仍然是我們計(jì)算機(jī)的主流架構(gòu)。基于這個(gè)貢獻(xiàn)，馮?諾依曼也被世人譽(yù)為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”。（他在數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)也很卓著，被稱為“博弈論之父”。）

第二件大事：信息論的提出

1948 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的克勞德?香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）出版了《通信的數(shù)學(xué)理論》。這本書被看作是信息論的奠基之作。

香農(nóng)

香農(nóng)給出了通信系統(tǒng)的基本模型，提出了信息熵的概念以及數(shù)學(xué)表達(dá)式。

他指出，信息是可以被量化的，用數(shù)字編碼可以代表任何類型的信息。香農(nóng)還推出了比特（bit）的概念，將其稱為“用于測量信息的單位”。

香農(nóng)提出的香農(nóng)公式，更是指導(dǎo)了整個(gè)通信行業(yè)發(fā)展，直到現(xiàn)在也沒有被突破。

簡單來說，香農(nóng)的信息論，真正為信息技術(shù)奠定了真正的理論基礎(chǔ)。他是當(dāng)之無愧的現(xiàn)代信息通信技術(shù)“祖師爺”。

第三件大事：晶體管的發(fā)明

這個(gè)就不用多說了吧。

1947 年，同樣是來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉?肖克利（William Shockley）、約翰?巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特?布拉頓（Walter Brattain），共同發(fā)明了世界上第一個(gè)晶體管。

晶體管的問世，開辟了電子時(shí)代的新紀(jì)元。

上面說的三件大事，給信息技術(shù)革命打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，開始進(jìn)入爆炸式發(fā)展的階段。

█1950-1967：集成電路時(shí)代

1951 年，發(fā)明了 ENIAC 的約翰?埃克特（J. Presper Eckert）和約翰?莫奇利（John Mauchly）再度合作，研制了世界上第一臺商用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ——UNIVAC-1。

UNIVAC

這套系統(tǒng)被美國人口普查部門用于人口普查，它還成功預(yù)測了 1952 年底的美國總統(tǒng)大選，一夜之間名聲大噪。

1952 年，馮?諾依曼領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)的 EDVAC 終于制造完成，開始運(yùn)行。

馮諾依曼和 EDVAC

相比 ENIAC，EDVAC 擁有獨(dú)立的存儲，是第一臺使用磁帶的計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)，磁存儲已初露鋒芒，成為信息載體的新選擇。

晶體管的應(yīng)用

再后來，晶體管技術(shù)開始逐漸成熟，進(jìn)入市場。

相比真空管（電子管），它的體積更小，功耗更低，使得電子設(shè)備變得更加小巧、省電。

1954 年，世界上第一臺晶體管計(jì)算機(jī) TRADIC，在美國空軍投入使用（貝爾實(shí)驗(yàn)室研制）。其運(yùn)行功耗不超過 100W，體積不超 1 立方米，相比當(dāng)年的 ENIAC 有天壤之別。

TRADIC

1958 年，美國的 RCA 公司造出了世界上第一臺全部使用晶體管的計(jì)算機(jī) ——RCA501。

RCA501

不久后，1959 年，IBM 公司不甘落后，也生產(chǎn)出全部晶體管化的的計(jì)算機(jī) ——IBM 7090。

IBM 7090

基于 IBM 7090，美洲航空公司和 IBM 共同研發(fā)了世界上第一款訂票系統(tǒng) ——Sabre。Sabre 迅速普及，帶動了 IBM 計(jì)算機(jī)的市場份額激增。

集成電路的誕生

說到這里，我們要回過頭，講講發(fā)明了晶體管的威廉?肖克利。

肖克利

肖克利所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)雖然合作發(fā)明了晶體管，但內(nèi)部關(guān)系并不好。主要原因，是因?yàn)樾た死@個(gè)人為人刻薄，很難相處。

晶體管發(fā)明后，沒多久，團(tuán)隊(duì)成員紛紛離開了他。

1954 年，肖克利在貝爾實(shí)驗(yàn)室也待不下去了，就跑去教書。再后來，1956 年，他來到美國西部加利福尼亞州的山景城，在一個(gè)名叫 Palo Alto 的小城市（后來是硅谷的一部分），成立了“肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”。

實(shí)驗(yàn)室吸引了很多優(yōu)秀年輕人的加入。其中就包括羅伯特?諾伊斯（Robert Noyce）和戈登?摩爾（Gordon Moore）等 8 人。

后來，肖克利的事業(yè)再次因個(gè)人原因走入困境。于是，1957 年 9 月 18 日（這個(gè)日子后來被《紐約時(shí)報(bào)》評為美國歷史上最重要的十天之一），上面提到的 8 個(gè)年輕人，一起向肖克利提交辭呈。肖克利大發(fā)雷霆，痛斥這幫“忘恩負(fù)義”的年輕人，罵他們是“八叛徒”(traitorous eight)。

“八叛徒”出走后，共同成立了仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）。

這家公司大家應(yīng)該很耳熟，它可以說是世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的搖籃，芯片界的黃埔軍校。

1959 年，德州儀器的杰克?基爾比（Jack St. Clair Kilby）和仙童半導(dǎo)體的羅伯特?諾伊斯，先后發(fā)明了基于鍺基底擴(kuò)散工藝和硅基底平面工藝的集成電路，打開了集成電路時(shí)代的大門。

基爾比發(fā)明的集成電路

1959 年之后的計(jì)算機(jī)，大量采用了晶體管和集成電路。計(jì)算機(jī)的體積不斷縮小，功能不斷增強(qiáng)。

軟件產(chǎn)業(yè)的萌芽

擁有更快的處理器、更大的內(nèi)存、更豐富的 I / O 設(shè)備，就意味著可以承擔(dān)更多的任務(wù)。

于是，“多道程序系統(tǒng)”出現(xiàn)了。

在“多道程序系統(tǒng)”之前，計(jì)算機(jī)是手工操作，以及批處理系統(tǒng)操作，效率低下。

“多道程序系統(tǒng)”，采用了通道和中斷技術(shù)，允許系統(tǒng)執(zhí)行“掛起”操作。計(jì)算機(jī)從串行變成了并行，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，提升了效率。

這個(gè)系統(tǒng)，基本上已經(jīng)接近于真正的操作系統(tǒng)了。

除了操作系統(tǒng)之外，計(jì)算機(jī)語言也進(jìn)步了。

1957 年，IBM 公司成功開發(fā)了 FORTRAN 高級語言。它是世界上第一個(gè)被正式采用并流傳至今的高級編程語言。

所謂高級語言，就是一種接近于人們使用習(xí)慣的程序設(shè)計(jì)語言。它容易學(xué)習(xí)，通用性強(qiáng)，寫出的程序比較短，便于推廣和交流。

1960 年 4 月，COBOL 語言正式發(fā)布。1964 年，BASIC 語言發(fā)布。

高級語言的不斷涌現(xiàn)，為后面的軟件產(chǎn)業(yè)爆發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

IBM System/360

1960 年代，IBM 是世界計(jì)算機(jī)行業(yè)毫無疑問的“領(lǐng)頭羊”。在計(jì)算機(jī)市場，他們占據(jù)絕對的市場領(lǐng)先地位（在北美市場，市占率超過三分之二）。

1961 年 12 月，IBM 公司啟動了一項(xiàng)人類史上規(guī)模最大的商用產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃耗資 50 億美元（約今日的 460 億美元）、雇用 6 萬多名新員工、新建 5 座工廠。

1964 年 4 月 7 日，計(jì)劃成果初現(xiàn)，IBM 公司正式發(fā)布了六種規(guī)格的 System / 360 商用大型主機(jī)。

IBM System/360

360，是 360 度角的意思，表示全方位的服務(wù)。它是世界上首個(gè)指令集可兼容計(jì)算機(jī)。單個(gè)操作系統(tǒng)可以適用整個(gè)系列，而不需要像之前的計(jì)算機(jī)一樣，每種主機(jī)量身定做操作系統(tǒng)。

這時(shí)，人們才明白，原來電腦主體硬件升級之后，操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件還有外圍硬件，都是可以繼續(xù)使用的?！凹嫒荨钡母拍?，開始形成了。

IBM System / 360 是 IBM 史上最成功的機(jī)型，雖然研發(fā)投入巨大，但回報(bào)同樣可觀 —— 每臺主機(jī)的價(jià)格在 250 到 300 萬美元之間（約合現(xiàn)在的 2000 萬美元），每月售出超過千臺。藍(lán)色巨人年銷售額的一半，都來自于這個(gè)系列。

美國太空總署的阿波羅登月計(jì)劃，全美的銀行跨行交易系統(tǒng)，以及航空業(yè)界最大的在線票務(wù)系統(tǒng)等，都使用了 IBM System / 360。

值得一提的是，雖然 IBM 霸占了大型機(jī)市場，但 60 年代初，很多 IT 公司創(chuàng)立，他們轉(zhuǎn)向了 IBM 不太在乎的小型化計(jì)算機(jī)市場，并取得了不錯(cuò)的成果。

例如，DEC 公司（1957 年成立）以及他們發(fā)布的 PDP-8、PDP-11、VAX-11 系列主機(jī)。

PDP-8

這些主機(jī)體積小、功耗低、運(yùn)算速度也不算差（每秒幾十萬次基本運(yùn)算），獲得了很多用戶的歡迎。

█1967-1979：大規(guī)模集成電路時(shí)代

時(shí)代的車輪繼續(xù)滾滾向前。1967 年，大規(guī)模集成電路（Large Scale Integration，LSI）出現(xiàn)了，真正的芯片時(shí)代到來。

1968 年 7 月，羅伯特?諾伊斯和戈登?摩爾從仙童半導(dǎo)體公司辭職，創(chuàng)立了英特爾（Intel）公司。

最開始，英特爾是做半導(dǎo)體存儲器產(chǎn)品的。后來，因?yàn)楦偁幖ち?，他們轉(zhuǎn)向處理器方向。

1971 年，英特爾開發(fā)出了世界上第一個(gè)商用處理器 ——Intel 4004。這款處理器片內(nèi)集成了 2250 個(gè)晶體管，能夠處理 4bit 的數(shù)據(jù)，每秒運(yùn)算 6 萬次，工作頻率為 108KHz。

Intel 4004

Intel 4004 的出現(xiàn)，標(biāo)志著微處理器時(shí)代的開始。

1974 年，英特爾又推出了 Intel 8080，其性能是 4004 的 20 倍。

Intel 8080

Intel 8080 的意義絲毫不輸于 4004，因?yàn)樗敲嫦騻€(gè)人電腦開發(fā)的微處理器。MITS 公司于 1974 年推出的經(jīng)典微型電腦 Altair 8800，就是基于 8080 處理器。

Altair 8800

Altair 8800 在 1975 年 1 月的《大眾電子學(xué)》雜志社上發(fā)布后，引起了計(jì)算機(jī)愛好者的廣泛關(guān)注。其中，就包括一個(gè)哈佛大學(xué)的楞青少年，以及他的伙伴。

他倆后來一起為 Altair 8800 設(shè)計(jì)了 Altair BASIC，并創(chuàng)辦了一家名叫 Microsoft（微型軟件）的公司。

沒錯(cuò)，這個(gè)楞青的名字叫做比爾?蓋茨，他的伙伴叫保羅?艾倫。

誰是第一臺個(gè)人電腦

Altair 8800 經(jīng)常被稱為第一臺個(gè)人電腦（PC），但實(shí)際上，這個(gè)稱謂是存在爭議的。

1971 年，美國的 Kenbak 公司發(fā)布了 Kenbak-1 計(jì)算機(jī)。這臺計(jì)算機(jī)，被計(jì)算機(jī)歷史博物館認(rèn)為是世界上第一臺個(gè)人計(jì)算機(jī)。

Kenbak-1 由中小型集成電路組成，沒有使用微處理器。該系統(tǒng)最初售價(jià)為 750 美元，僅制造和銷售了大約 40 臺。1973 年，Kenbak 公司倒閉，Kenbak-1 停產(chǎn)。

1973 年，法國 R2E 公司生產(chǎn)了第一臺基于微處理器的商用計(jì)算機(jī) ——Micral。Micral 的說明書里，首次提到了“微機(jī)（Micro-computer）”。

Micral

另一個(gè)“第一臺個(gè)人電腦”的有力爭奪者，是來自著名的施樂公司帕洛阿圖研究中心（Xerox PARC）的 Alto。

1973 年，他們推出了 Alto（“奧托”）。它是第一臺使用鼠標(biāo)和圖形用戶界面 (GUI) 的計(jì)算機(jī)，和我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)已經(jīng)很像了。它的很多設(shè)計(jì)，對喬布斯的蘋果，以及比爾蓋茨的微軟，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

1975 年，王安公司（WANG）推出了世界上第一臺具有編輯、檢索功能的文字處理機(jī)，初具臺式電腦的雛形。這臺電腦的屏幕能直接顯示文字，鍵盤可以快速修改文稿。

1977 年，有三臺個(gè)人電腦經(jīng)典機(jī)型推出，分別是 Commodore 公司的 Commodore PET、蘋果公司的 APPLE II、Tandy Radio Shack 的 TRS-80 Model II。

個(gè)人電腦的大量出現(xiàn)，意義極為重大。

它改變了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式，標(biāo)志著算力不再僅為少數(shù)大型企業(yè)服務(wù)（大型機(jī)），而是開始昂首走向了普通家庭和中小企業(yè)。

技術(shù)蓄力

除了處理器之外，計(jì)算機(jī)存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也有顯著進(jìn)步。

1973 年，IBM 又發(fā)明了 Winchester（溫徹斯特）硬盤 3340。

Winchester 3340

這塊磁盤使用了密封組件、潤滑主軸和小質(zhì)量磁頭。工作時(shí)，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸。這便是現(xiàn)代硬盤的原型。

換句話說，你現(xiàn)在用的磁盤，架構(gòu)上和 1973 年沒有太大區(qū)別。

網(wǎng)絡(luò)方面，1970 年，Internet 的雛形 ARPAnet 基本完成。

1973 年 5 月 22 日，施樂公司 PARC 研究中心的羅伯特?梅特卡夫（Robert M. Metcalfe）正式提出了“以太網(wǎng)”的設(shè)想，并于 11 月份設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

梅特卡夫

1978 年，在溫頓?瑟夫（Vinton G. Cerf）、羅伯特.卡恩（Robert E. Kahn）等人的努力下，TCP / IP 也誕生了。

在軟件產(chǎn)業(yè)方面，1970 年代的成果同樣令人應(yīng)接不暇。

1973 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肯?湯普森（Ken Thomson）和丹尼斯.里奇（Dennis Ritchie）正式發(fā)表論文，宣告了 UNIX 操作系統(tǒng)的存在，引起全行業(yè)轟動，被視為現(xiàn)代操作系統(tǒng)誕生的標(biāo)志。

正在操作 DEC PDP-11 計(jì)算機(jī)的肯?湯普森（坐者）和丹尼斯.里奇（站者）

1970 年和 1972 年，F(xiàn)orth 編程語言和 C 語言先后開發(fā)完成。

數(shù)據(jù)庫技術(shù)，也有重大突破。1970 年，IBM 公司的研究員埃德加?弗蘭克?科德（Edgar Frank Codd），通過一篇名為《大型共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的關(guān)系模型》的論文，開啟了關(guān)系數(shù)據(jù)庫時(shí)代。

埃德加?弗蘭克?科德

關(guān)系數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，為后來數(shù)據(jù)庫應(yīng)用高速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1974 年，IBM 公司圣何塞實(shí)驗(yàn)室發(fā)起了 IBM System R 項(xiàng)目，首次實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）。

1977 年，后來被稱為 IT 狂人的拉里?埃里森（Larry Ellison）與合作人共同投資了 2000 美元，成立了 SDL 公司（后來的 Oracle 公司）。1979 年，他們推出了 Oracle 數(shù)據(jù)庫，開啟了商業(yè)數(shù)據(jù)庫的全新時(shí)代。

Oracle 的聯(lián)合創(chuàng)始人

1970 年代已經(jīng)離我們比較久遠(yuǎn)了，很多事情可能都已淡忘。

但實(shí)際上，IT 產(chǎn)業(yè)的真正起步，是在 1970 年代。大規(guī)模集成電路的崛起，存儲技術(shù)的成熟，基礎(chǔ)軟件（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫）的出現(xiàn)，都是在那一時(shí)期。

令人眼花繚亂的成果，雖然現(xiàn)在看上去并不是很起眼，但都是從 0 到 1 的重要突破。

基礎(chǔ)夯實(shí)之后，進(jìn)入 1980 年，更瘋狂的 IT 浪潮，即將襲來。

未完待續(xù)……

敬請期待 ——《世界算力簡史（下）》

參考文獻(xiàn)：