答案優(yōu)選電腦技術(shù)的興起
在第三次工業(yè)革命的三大主體技術(shù)中，電腦技術(shù)是對當(dāng)代世界影響最大的技術(shù)領(lǐng)域。雖然電腦技術(shù)的興起在時間上略晚于核能技術(shù)，但由于電腦技術(shù)比核能技術(shù)所產(chǎn)生的革命影響更為廣泛、更為深遠(yuǎn)，因此電腦技術(shù)的興起不僅成為第三次工業(yè)革命興起的主要技術(shù)標(biāo)志，而且成為整個現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)標(biāo)志。
一、計算機發(fā)展的由來
電腦技術(shù)的興起雖然始自于20世紀(jì)40年代中期，但它的技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)基礎(chǔ)的形成卻經(jīng)歷了漫長的歷史年代。
首先，就其技術(shù)基礎(chǔ)而言，在第一代電子計算機尚未發(fā)明之前，電子計算機的發(fā)明所必經(jīng)的自動機械，計算工具和電子技術(shù)這三大技術(shù)基礎(chǔ)已相繼形成。
在自動機械方面，中國早在古代即有指南車、記里車、水運儀象、提花織機等機械技術(shù)發(fā)明。特別是提花織機技術(shù)的西傳，曾對西方的自動機械技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生過直接影響。19世紀(jì)30年代初，法國發(fā)明家雅卡爾(J.M.Jacgnard 1752～1834)發(fā)明了近代提花織機。而英國數(shù)學(xué)家拜比吉所以能在19世紀(jì)中期提出他的新的機械計算機的設(shè)計，正是他把雅卡爾的提花織機的穿孔卡片自動控制技術(shù)引入其設(shè)計的結(jié)果。此后，這種源于提花織機的穿孔卡片自動控制技術(shù)即被成功地用于機電式計算機之中。
在計算機工具方面，早期的計算機工具已相繼經(jīng)歷了機械計算器、機械計算機、機電計算機這樣三個前后相繼的歷史發(fā)展階段。
機械計算器是計算工具的孕育階段。中國元末發(fā)明的算盤，既具有運算器的功能，又具有存貯器的功能，因此可以說是這一階段的一種典型的機械計算器。
機械計算機是計算工具的成形階段。在這一階段，法國數(shù)學(xué)家什卡(Schlckarg 1592～1635)于1623年，法國數(shù)學(xué)家巴斯卡(B.Pascal 1623～1662)于1642年，都曾分別發(fā)明過可進行加減運算的機械計算機。此后，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨在研究巴斯卡計算機時，最先提出了把二進制用于計算機的設(shè)想。但在萊布尼茨以后，機械計算機的研制一直處于沉寂狀態(tài)。直到進入19世紀(jì)以后，英國杰出數(shù)學(xué)家拜比吉(C．Babbage 1792～1871)才再度開始進行機械計算機的研究。由于歷史條件的限制，拜比吉研制的分析機雖然未能取得完全成功，但拜比吉的設(shè)計思想?yún)s為后來機電式計算機的興起奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
機電式計算機是計算工具的發(fā)展階段。19世紀(jì)末，由于電力技術(shù)的發(fā)展和繼電元件的發(fā)明，使計算工具開始從機械式計算機向機電式計算機過渡。1890年，美國統(tǒng)計工程師霍勒里斯(H.Hollerith 1860～1929)為了人口統(tǒng)計分析的需要，發(fā)明了第一臺以電磁元件為基本元件，以電動機為動力的機電式計算機?；衾绽锼沟倪@一發(fā)明可以說是計算機技術(shù)進入發(fā)展階段的歷史起點。
到了20世紀(jì)初期至40年代初期，機電式計算機技術(shù)有了進一步發(fā)展。1941年，德國計算機工程師朱斯(K.Zuse 1910～)曾研制成功機電式計算機Z3。在美國，哈佛大學(xué)的計算機工程師艾肯(H.Aiken 1900～1973)在IBM公司的支持下，于1944年研制成功“自動程序控制計算機Mark I號”。1946年，艾肯等人又研制成功一臺全部使用繼電元件的“Mark II號”，艾肯等人的這種機電式計算機雖然旋即為電子計算機所淘汰，但它的研制成功卻為電子計算機的發(fā)明奠定了直接的技術(shù)基礎(chǔ)。
在電子技術(shù)方面，從1904年第一只電子管的發(fā)明到1938年第一臺雷達(dá)問世，以電子管為主要技術(shù)標(biāo)志的電子技術(shù)不但在電子元件和電子線路這兩大基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域取得一系列重大突破，而且在廣播、電視、雷達(dá)等電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域得到了初步發(fā)展?？梢哉f，第一代電子計算機的發(fā)明，正是興起于20世紀(jì)初期的電子技術(shù)向當(dāng)時已有的機電式計算機技術(shù)領(lǐng)域滲透的必然成果。
當(dāng)然，除了技術(shù)基礎(chǔ)之外，電子計算機所以能在40年代中期發(fā)明，也源于電子計算機所必須的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及其他相關(guān)科學(xué)的理論基礎(chǔ)在此以前已相繼形成。
首先，在電子計算機的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面，作為電子計算機的主要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的布爾代數(shù)在19世紀(jì)中期即已奠基。布爾代數(shù)即邏輯代數(shù)，它是由英國數(shù)理邏輯學(xué)家布爾所創(chuàng)立的。1854年，布爾發(fā)表了邏輯代數(shù)的奠基性著作《思維規(guī)律研究》。在這一論著中，布爾以二進制為進位基礎(chǔ)，把形式邏輯學(xué)歸結(jié)為一種代數(shù)的演算。在這種邏輯代數(shù)演算中，他從一組邏輯公理出發(fā)，像推導(dǎo)代數(shù)公式那樣來推導(dǎo)邏輯定理，這種邏輯代數(shù)后來經(jīng)過德國數(shù)學(xué)家施羅德(E.Schroder 1841～1902)等人的進一步發(fā)展。此后
便成為電子計算機所必需的主要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
其次，有關(guān)電子計算機本身的工作原理等基礎(chǔ)理論研究，已由英國數(shù)學(xué)家圖林(A.M.Turing 1912～1954)等人在30年代基本完成。
1936年，圖林發(fā)表了一篇題為《關(guān)于理想計算機》的論文。在這篇論文中，圖林提出了理想計算機的基本理論模型。圖林的這一理論模型的基礎(chǔ)是他為“可計算性”下的一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義。這一定義的理論要點是：任何一個可計算數(shù)都具有可計算序列；而任何一個具有可計算序列的可計算數(shù)都具有可計算性。從這一定義出發(fā)，圖林提出了理想計算機的定理：存在著這樣一種理想計算機，它能模擬任何一種給定的計算機，這種能夠模擬任何一種特定計算機的理想計算機就是通用計算機。此外，圖林還提出了理想計算機的“程序內(nèi)存”和邏輯構(gòu)成的理論。由于圖林提出了一套理想計算機的基本原理，所以人們后來便把圖林所提出的這種理想計算機稱為“圖林機”。
圖林提出理想計算機原理的目的，并不是為了研制具體的計算機，而是為了建立計算機的一般理論基礎(chǔ)。也正因為如此，他的關(guān)于理想計算機的“圖林機”理論模型也就成為第一代通用數(shù)字電子計算機發(fā)明的直接的理論基礎(chǔ)。
可見，到了20世紀(jì)30年代末和40年代初，電腦技術(shù)興起的各種技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)基礎(chǔ)即已相繼形成，只要有某些更直接的動因的作用，同時又有某些更善于綜合各種相關(guān)科學(xué)技術(shù)成就的發(fā)明家，電腦的問世已是指日可待了。
二、第一代電腦的發(fā)明
由于發(fā)明電子計算機所必需的各種技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)基礎(chǔ)已相繼形成，到了30年代末和40年代初，不少科學(xué)家和工程師即相繼開始進行電子計算機的研制。在德國，著名計算機專家朱斯于1942年設(shè)計出了一臺電子計算機，并造出了部分運算元件，但其研制未能得到政府的支持而夭折。在美國，數(shù)學(xué)物理學(xué)家阿塔納索夫(J.Atanssoff 1903～?)在1941年也曾提出過一臺可解線性方程的電子計算機的設(shè)計方案，但由于他也未能得到經(jīng)費的資助，所以也只是在研制出少數(shù)元件后就終止了其研制計劃。
在電子計算機發(fā)展史上，真正發(fā)明第一臺電子計算機的是美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院電工系的工程師莫希萊(J.W.Mauchly 1907～1980)及其研制小組。
1941年12月7日，日軍偷襲珍珠港而使太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)。1942年初，莫爾學(xué)院電工系與美國陸軍所屬的阿拉伯丁彈道研究所共同承擔(dān)了每天為海陸軍方提供6張火力表的任務(wù)。其中每張火力表都要計算幾百條彈道。即使是最熟練的計算員，用當(dāng)時最好的臺式機電計算機計算一條彈道也要用20小時，而用當(dāng)時最好的機電式微分分析機計算一條彈道也要15分鐘。為此，當(dāng)時曾聘用200名專職計算員來進行彈道的計算工作。即使這樣，仍無法按要求完成火力表的計算任務(wù)。
由于機電式計算機無法及時完成彈道計算任務(wù)，莫希萊在1942年8月提出了一份題為《高速電子管裝置的使用》的設(shè)計方案，建議研制以電子管為主要元件的電子計算機。莫希萊的建議立即得到了軍方的支持。此后，即組建了以莫希萊為總設(shè)計師、莫希萊的助手艾克特(J.P.Ecker 1919～)為總工程師的莫爾研制小組，主持研制新的“電子數(shù)值計算機” (Electronic Numerical Integrator and Computer)，即通常所說的第一臺電子計算機ENIAC。
1943年6月，莫爾學(xué)院與軍方正式簽訂合同，開始進行第一臺電子計算機的研制。此后在兩年半的時間內(nèi)經(jīng)過20次方案的修改和樣機的調(diào)試，終于在1945年底研制成功了第一臺電子計算機ENIAC。ENIAC總耗資48萬美元，用了18000個電子管，70000個電阻，10000個電容，總重量達(dá)30噸，總占地面積為170平方米。為了散熱，還配有一臺重達(dá)30噸的冷卻裝置。1946年2月15日，當(dāng)ENIAC在舉行揭幕典禮之后投人正式使用時，其運算速度已為每秒5000次，即已比當(dāng)時最好的機電式計算機的運算速度快1000倍。
第一臺電子計算機的發(fā)明是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)明史上具有劃時代意義的重大技術(shù)發(fā)明之_。因為第一臺電子計算機的發(fā)明不僅使計算機實現(xiàn)了從機電式計算機到電子計算機的偉大變革，而且直接拉開了電腦技術(shù)發(fā)展的序幕，特別是直接拉開了第一代電腦技術(shù)發(fā)展的序幕。
由于ENIAC是程序外插型計算機，因此它在發(fā)明以后不久即為諾依曼所設(shè)計的程序內(nèi)存型計算機EDVAC所代替。
由于ENIAC是程序外插型計算機，準(zhǔn)備一個運算的程序要花幾小時甚至幾天的時間，這與ENIAC已具有的運算高速度很不適應(yīng)。此外，ENIAC還有存儲容量太小等局限。鑒于ENIAC的程序外插等主要技術(shù)局限，諾伊曼即著手設(shè)計研制新的電子計算機。
早在1945年6月，諾伊曼就曾提出過“程序內(nèi)存”的設(shè)計方案。他把這種程序內(nèi)存的計算機稱為“離散變量自動電子計算機”(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)，即通常所說的EDVAC。同ENIAC相比，程序內(nèi)存的實現(xiàn)和二進制的采用可以說是EDVAC的兩項最重大的技術(shù)變革成就，而程序內(nèi)存則可以說是EDVAC優(yōu)于ENIAC的最主要的技術(shù)標(biāo)志。
諾伊曼提出EDVAC的設(shè)計方案之后，莫爾小組曾接受其方案開始進行這種新樣機的研制。但此后不久，莫爾小組因ENI-AC的發(fā)明權(quán)之爭而陷于分裂。小組主要成員莫希萊和艾克特脫離開小組另建公司，因此使美國的EDVAC的研制受到了影響。
當(dāng)美國的程序內(nèi)存電子計算機的研制受挫時，英國劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系實驗室則于1949年5月按諾伊曼的設(shè)計思想研制成功了第一臺程序內(nèi)存電子計算機EDSAC。而美國的第一臺程序內(nèi)存計算機直到1950年才開始安裝，1952年才正式投入運行。據(jù)說英國早在1943年就研制出了專用電子計算機，不過由于英國嚴(yán)格保密而不為世人所知。
從第一臺電子計算機發(fā)明的40年中期到50年代中期，是第一代電子計算機的發(fā)展時期。在這一時期內(nèi)，第一代電子計算機的主要技術(shù)標(biāo)志是電子管被普遍用作計算機的邏輯元件，而其主要技術(shù)成就則是程序外插型和程序內(nèi)存型這兩種類型的電子計算機的相繼發(fā)明，特別是程序內(nèi)存型的諾伊曼機的發(fā)明。雖然這一時期的程序存儲技術(shù)尚不成熟，但由于計算機已相繼實現(xiàn)從機電計算機到電子計算機的變革，從程序外插型電子計算機到程序內(nèi)存型電子計算機的變革，因此也就為第二代電腦的興起奠定了直接的技術(shù)基礎(chǔ)。
三、第二代電腦的發(fā)展
50年代中期至60年代中期是第二代電腦的發(fā)展時期。
第二代電腦的主要技術(shù)標(biāo)志是分立的晶體管元件的普遍采用，因此第二代電子計算機通常被稱為晶體管計算機。
就其科學(xué)淵源而言，第二代電腦的興起主要源于半導(dǎo)體物理學(xué)在40年代末和50年代初的進一步發(fā)展。
1947年底，美國貝爾電話實驗室的肖克利、巴丁、布拉頓等人發(fā)明了第一只半導(dǎo)體管，即第一只晶體管。由于晶體管具有體積小、能耗低、壽命長等電子管所無法比擬的優(yōu)點，因此它一問世，即在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)掀起了一場以晶體管代替電子管的電子技術(shù)的深刻革命。50年代初，由于晶體管技術(shù)已有初步發(fā)展，它也就立即向一切與電子技術(shù)有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域滲透。特別是第一臺晶體管收音機在1952年問世之后，更是推動了電子技術(shù)革命的深入發(fā)展。
繼第一臺晶體管收音機問世之后，貝爾電話實驗室即著手進行晶體管計算機的研制。1954年，該實驗室即為美國空軍研制成功第一臺晶體管計算機TRADIC。由于這臺計算機的邏輯元件普遍采用了晶體管，因此整機的體積大大減小，重量大大減輕，并因此被用作飛機的第一代機載計算機。
由于晶體管計算機具有電子管計算機所無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢，所以它一問世，即得到迅速發(fā)展。1955年，美國的阿爾馬公司生產(chǎn)出了第一臺可裝在洲際導(dǎo)彈中的彈載計算機，1957年，晶體管計算機即進入民用普及階段。1958年4月，當(dāng)時世界上最大的電子計算機公司——美國的IBM公司即開始批量生產(chǎn)晶體管計算機。同年，英國、前聯(lián)邦德國、日本等國的公司也開始批量生產(chǎn)晶體管計算機。1959年，美國的菲爾克公司研制成功第一臺大型通用晶體管計算機。至此，電子計算機即進入第二代
電子計算機——晶體管計算機的興盛時期。
在第二代電子計算機的發(fā)展時期，計算機在兩方面取得重大的技術(shù)進展。其一，在計算機的邏輯元件和邏輯線路方面，普遍采用了晶體管和晶體管線路，在計算機的存儲器方面，普遍采用了快速磁芯存儲器。由于這兩大技術(shù)變革的實現(xiàn)，使計算機的運算速度從每秒幾千次提高到每秒幾十萬次；而主存儲器的容量從幾千字提高到10萬字。與此同時，計算機的體積成倍的減小，售價成倍地降低。也正是由于這兩大技術(shù)變革的實現(xiàn)，電腦也就實現(xiàn)了其發(fā)展史上的以分立晶體管為主要技術(shù)標(biāo)志的第二次革命。
四、第三代電腦的發(fā)展
60年代中期至70年代初期是第三代電腦的發(fā)展時期。
第三代電腦的主要技術(shù)標(biāo)志是半導(dǎo)體集成電路的普遍采用。因為集成電路的最初的集成度較小，所以第三代電子計算機也被稱為小規(guī)模集成電路計算機。
就其科學(xué)技術(shù)淵源而言，第三代電腦的興起主要源于50年代末至60年代初半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體技術(shù)的進一步發(fā)展，特別是源于半導(dǎo)體集成電路的發(fā)明。1959年初，美國得克薩斯儀器公司的工程師基爾比(J.Kilby 1923--)發(fā)明了第一塊集成電路。這塊集成電路是一塊含有晶體管、電阻、電容在內(nèi)的單元電路。雖然它是一塊完整的單元電路，但其面積僅為1平方毫米左右。同分立的晶體管相比，集成電路更具有容量大、體積小、功耗小和組裝快等技術(shù)優(yōu)點。因此它一經(jīng)問世，即在電子技術(shù)領(lǐng)域引起又一次新的技術(shù)革命。
1961年，得克薩斯公司與美國空軍合作，研制成功了第一臺集成電路計算機。這臺電子計算機由578塊小規(guī)模集成電路組成。主機僅重285克；體積僅為100cm3，功耗僅為16瓦。第一臺集成電路計算機的發(fā)明，正式拉開了第三代電腦發(fā)展序幕。
繼第一臺集成電路計算機發(fā)明之后，各種易于飛機和火箭攜帶的小規(guī)模集成電路計算機即在1962年以后相繼問世。自此，小規(guī)模集成電路計算機進人全面發(fā)展時期。1962年，美國的IBM公司為了保持在計算機技術(shù)領(lǐng)域中的壟斷地位，前后投資50億美元用于研制小規(guī)模集成電路通用計算機。1964年4月，該公司即宣布批量生產(chǎn)兼?zhèn)涓鞣N用途的IBM360集成電路系列通用計算機。IBM360系列計算機是第三代電腦的典型產(chǎn)品。它的成功，標(biāo)志第三代電腦已進入其興盛和成熟的發(fā)展時期。
在第三代電腦發(fā)展時期，電子計算機同樣實現(xiàn)了兩項重大的技術(shù)變革。其一，計算機的邏輯元件和邏輯線路普遍實現(xiàn)集成電路化；其二，計算機的輸入、輸出、外存、打印、顯示、記錄等外部設(shè)備開始實現(xiàn)電子化。其中邏輯元件與邏輯線路的小規(guī)模集成電路化是第三代電腦的主要技術(shù)標(biāo)志。正是由于邏輯元件與邏輯線路的小規(guī)模集成電路化的實現(xiàn)，才真正使電子計算機進入小型化的發(fā)展時期。
由于小規(guī)模集成電路化的實現(xiàn)，使計算機的運算速度提高到每秒數(shù)百萬次乃至數(shù)千萬次，而單機的體積和重量反而成倍地減小，單機售價也成倍地降低，也正是由于小規(guī)模集成電路化的實現(xiàn)，計算機又實現(xiàn)了其發(fā)展史上的以小規(guī)模集成電路為主要技術(shù)標(biāo)志的第三次革命。
五、第四代電腦的發(fā)展
第四代電腦是大規(guī)模集成電路計算機，它的發(fā)展始自70年代初期。
就其技術(shù)基礎(chǔ)而言，第四代電腦的興起主要源于70年代初半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的進一步發(fā)展，特別是源于半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路的發(fā)明。1971年，美國的英特爾公司在小規(guī)模和中規(guī)模集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上，最先在一塊面積(2.97×4.04)平方毫米的硅片上成功地集成了由2200個晶體管組成的大規(guī)模集成電路，從而為第四代電腦的興起奠定了直接的技術(shù)基礎(chǔ)。同年，該公司即以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)研制成功了第一臺微電腦。1973年，大規(guī)模集成電路開始普遍代替小規(guī)模和中規(guī)模集成電路，電
子計算機自此即進入第四代電腦的全面發(fā)展時期。
在第四代電腦發(fā)展時期，電子計算機出現(xiàn)了微型化和巨型化這樣兩個新的發(fā)展趨向。
在微型化方面，微型機的發(fā)展主要源于大規(guī)模集成電路的集成度的不斷發(fā)展。1971年，美國的英特爾公司即研制成功第一臺微處理機。此后，每個微處理機的芯片上的集成度即普遍達(dá)到幾千只晶體管。同60年代初的小規(guī)模集成電路相比，這已是重大的技術(shù)進展。而到了80年代初期，同等面積的每個芯片上集成度已發(fā)展到高達(dá)數(shù)十萬只晶體管。特別是以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的微處理的發(fā)明，更使微型機的發(fā)展日新月異。早在1977年，美國的蘋果(Apple)電腦公司即開始大批量生產(chǎn)家用微電腦。自此，微電腦也像當(dāng)年的電視一樣進入普及性的發(fā)展時期。
在巨型化方面，同樣也由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使單機巨型化的發(fā)展有了可能。1975年，由美國伊利諾斯大學(xué)設(shè)計，由寶來公司制造的第一臺每秒運算1．5億次的巨型機問世。不過這臺巨型機實際上是一個以主機和輔機的主從復(fù)合系統(tǒng)為基礎(chǔ)的巨型機。因此，第一臺真正的單機巨型機是美國電腦工程師格雷在1976年主持研究成功的Cray—I型計算機。該機最高向量運算速度為每秒2．5億次，而其主機占地面積僅為7m2。
在巨型化方面，除了大規(guī)模集成電路的采用使單機巨型化之外，在這一時期內(nèi)還出現(xiàn)了以多機系統(tǒng)為基礎(chǔ)的三種不同類型的巨型機。其一是以雙機對稱系統(tǒng)為基礎(chǔ)的巨型機。70年代初期，美國的IBM公司最先研制成功這種巨型機。1972年，日本也研制成功這種巨型機，這種巨型機后來又進一步發(fā)展為四機對稱系統(tǒng)的巨型機。其二是以主從復(fù)合系統(tǒng)為基礎(chǔ)的巨型機。這種類型的巨型機由一臺中央處理機和多臺外圍處理機聯(lián)合構(gòu)成主從復(fù)合巨型機系統(tǒng)。1976年，美國的一臺投入運行的巨型機CDC6600即是屬于這種類型的第一臺巨型機。其三是以多微機復(fù)合系統(tǒng)為基礎(chǔ)的巨型機，這種巨型機是由多臺微型機構(gòu)成的一個巨型機系統(tǒng)。就其技術(shù)實質(zhì)而言，這種類型的巨型機已是一種巨型機系
統(tǒng)。
在第四代電腦發(fā)展時期，電子計算機也同樣是在兩個方面實現(xiàn)了重大的技術(shù)突破。其一，計算機的邏輯元件和邏輯線路普遍實現(xiàn)大規(guī)模集成電路化。其二，計算機出現(xiàn)了微型機和巨型機這樣兩種新的系列。在這兩大技術(shù)突破中，大規(guī)模集成電路是第四代電腦興起的主要標(biāo)志，而微電腦的興起則是第四代電腦的主要技術(shù)成就。也正是由于大規(guī)模集成電路化的實現(xiàn)和微電腦的興起，使電腦又實現(xiàn)了其技術(shù)發(fā)展史上的第四次革命。