信息时代的前尘旧事：从算盘到计算机

序

这是一个新的大航海时期，众人在信息的汪洋之上扬帆起航。

和15世纪末到16世纪初的那段历史壮举一样，人们横渡汪洋、开疆辟土，克意进取、追求财富成了时期的精神。
但和彼时的岁月不同，如今的开拓没有腥风血雨，生存的角斗场从有形的地理版图进入无形的智识领域。

大航海时期

过去两千年，普通老百姓都过着相似的生活。
一个人如果从汉代穿越到清朝，他并不会感到巨大的陌生，也不会产生过度的不适应。
两千年前农人灌溉种田的工具，直到解放初期仍旧在中国的地皮上被频繁利用。
全体社会的生活办法都在以极其缓慢的进程更替。

而进入二十世纪以来，当代文明以前所未有的加速度迭代，大众的生活也处在日月牙异的变革之中。
信息时期的波澜还在，人工智能的浪头又彭湃而来。
在短短几十年间，信息化时期的浪潮一朝扑来，旧有的经济格局、文明秩序就被冲击得四零八落。
身处这个千年未有之大变局中的人们，除了嗅到了财富的气息，更多的是感到一种焦虑和迷惑，无助与迷惘。
历史，究竟选择了我们，作为它腾飞的见证。

是什么，让众人熟习的场景在几十年间烟消云散，又是什么，让人类进入了文明的跃迁时期？

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信息时期标配：打算机+互联网

如果用一个词来形容今日人们的生活，险些大多数人都会赞许，那便是快，太快了。

信息革命颠覆了旧有的社会秩序：饮食、购物、交通、通讯、金融乃至生态的网络被不断重塑。
统统曾经看似坚固的东西都在烟消云散。

大城市里人们的生活节奏在加速，大街上行人的脚步在变快。
纵然已经阔别物资短缺的年代，我们仍旧渴望对食品的快速霸占。
快餐文化因此迅速崛起。

快速便捷的交通

飞机、高铁、地铁等交通工具的遍及，让人们失落去了对韶光和空间的敬畏感。
借助于当代化的交通工具，一顿饭的功夫，千里之外的朋友就可以匆匆膝面谈。

互联网和高速无线通信网络的培植，更是消弭了空间带给人们的间隔感。
无论身处何时何地，信息都能够以光速通报给对方，彼此交流诉求和表达关怀。

除了衣食住行，很多生活必备品也搭上了智能时期的科技列车，从内而外地被时期塑造打磨。
电子产品层出不穷，形态互异，让人眼花缭乱。

成本市场在持续地谱写造富的神话，躁动的人群也在加速创造金融的奇迹。
明星公司的股票可以在一夜之间出身成千上万个财主，创业公司的集体呈现更是将少数人推至财富的顶端。

半导体家当

变革的趋势看起来锐不可挡，而主导这波剧变的核心技能却仅仅源自一个家当的突飞年夜进，那便是如日中天的半导体。
微型和超级打算机的大量遍及以及通讯行业的齐头并进便是半导体行业改造的结果。
它已经成为推动社会进步的技能力量，成为提升生产效率最主要的工具。

半导体家当及其干系产品之以是能在短短数十年之间颠覆并主宰人们的生活，都要归功于其制造流程在过去五十多年间一贯遵照着摩尔定律。
该定律是由英特尔公司的创始人之一摩尔于1965年提出，他预言了著名的半导体工艺演进规律：打算机的运算速率每18-24个月可以翻一倍，其制造本钱却会相应地降落一半。
神奇的是，英特尔公司的技能职员通过自己的努力，在半个世纪的发展中一贯坚持着摩尔定律的效率。
在20世纪60年代初，一个晶体管的制造本钱要10美元旁边，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统打算机，到本日仅值3美分。

摩尔定律

具备空前强大的运算能力后，打算机能够处理的问题日臻繁芜，同时也极大地提高了各行业的生产效率，21世纪的人们才有幸能享有祖辈们梦寐以求的物质盈余。
打算机的广泛运用触及到了人们生活的每个角落。
时至今日，从农耕产品到食品加工的生产已经逐渐被机器取代，打算机赞助设计和生产带领服装行业进入快速迭代期，高速的手持设备处理器奠定了移动互联网的根本，与此同时，金融市场的高频量化交易开始崭露锋芒。

打算机和互联网的珠联璧合带领人们进入了一个全新的天下，每个身在个中的人都难免有一日不见、如隔三秋的太息。
如果我们顺着光阴的河流逆流而上，不难创造，本日人类所享受的文明成果，不过是在河流中有时拼接而成的一串珍珠。
它绵绵悠长，从古希腊期间就已经留下了光荣分明的痕迹。

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从算盘到通用机

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最早的打算机

打算机的形态琳琅满目，功能千差万别，有能放入口袋的微型打算器，也有还在研究阶段的天河三号超级打算机。
很难想象早期的打算机是何等的笨重和单一。
1946年出身的第一代ENIAC打算机，利用了18000个电子管，70000个电阻器，有5百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速率却仅为每秒5000次。
只管如此，这并非最早的打算机。
事实上，打算机早在两千年前就已经在中国涌现。
它正是我们如今已经很少利用的算盘。

算盘

中国是算盘的故乡。
东汉末年（公元2世纪末），数学家徐岳在《数术纪遗》就提及珠算的工具。
然而，中国也不是算盘最早涌现的国度。
公元前五世纪，古希腊就涌现和中国的算盘类似的打算工具。
算盘的英文Abacus即是源自古希腊文。

按照目前人们对打算机的严格定义，它必须拥有一套可以运行的指令，而不仅仅是一套打算的硬件工具。
因此只有中国的算盘才被公认为打算机。
在中国，算盘的口诀便是其运行的指令序列。
熟习了这套口诀，人们的运算速率可以远远超过心算和笔算的能力。
比较之下，古希腊的算盘只有输出的结果，打算的过程还须要依赖心算，因此并没有成为实用的打算机。

有了指令掌握，类似本日打算机的软件系统，算盘才成为当代打算机的雏形。

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机器打算机：自动完成打算

只管算盘拥有打算机的部分功能，能够极大地改进记账和算账的效率，它仍旧存在着巨大的毛病。
在实际拨动算珠的过程中，任何小的差错，对结果的影响都可能是致命的。
大量数据的打算每每会由于一个人为导致的眇小缺点而半途而废，遗憾的是，这种缺点在算盘的利用过程中却极难排查。

为了肃清人们利用中可能涌现的失落误，最好的办法便是设计一种能通过机器运动自动完成打算的机器。
这个梦想一贯到十七世纪，才由法国数学家帕斯卡完成。
他奥妙地设计了一种机器打算机的装置，能完成大略的加法运算。
虽然操作繁芜，而且效率不高，但是由于打算的自动性，只要输入的数字精确，打算结果就准确无疑。
这给后人设计改良型的打算机带来了一线曙光。

果不其然，大数学家莱布尼茨改进了帕斯卡的打算机，让其能进一步完成乘法的打算。
在设计新型打算器的过程中，他还发明了二进制，为打算机的研究指明了精确的道路。
帕斯卡和莱布尼茨成为制造当代打算机的探路者。
他们的方法给了人们一种启迪，让后人得以沿着其开辟的道路连续探索机器运动与打算的干系问题。
不过，受限于制造工艺与理论的限定，莱布尼茨研制的机器不能保存打算结果，功能性比较单一。

机器打算机

随着工业生产的需求逐渐扩展，人们期待着打算性能完成更加繁芜的任务，比如繁芜函数的运算，这给早期的打算机带来巨大的寻衅。
直到莱布尼茨去世两百年后，英国的科学家巴比奇受到提花织布机的启示，天才般地制造出一台差分打算机，它能完成大略的微积分的打算。
这为制造繁芜功能的打算机供应了思路。
差分机的事理是通过用一种相应的掌握流程来掌握齿轮的运动，从而达到自动打算不同函数的数值。
流程一旦启动，它就自动掌握齿轮的运动，并且在流程结束时，机器停下来的地方便是输出的结果。

进入二十世纪中叶，制造当代打算机的条件已经成熟。
这些打算机远远超过帕斯卡、莱布尼茨、巴比奇最大胆的梦想中的打算机。
然而谁也不能否认，正是这些先驱者的努力，铺就了一条可供后人前行的道路。

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两个关键人物

二十世纪初期，机器打算机还在巴比奇的根本上进行着改良。
只管其打算能力有了显著提高，却始终避免不了两个天生的毛病：

短缺存储器。
每一步的运算结果须要在其他地方记录，否则一次只能做一步运算。
大略的四则运算也须要人们反反复复地参与记录。

无法进行繁芜函数的运算。
当时的工程设计已经有了大量的打算需求，遗憾的是，最前辈的打算机仍旧无法完成类似三角函数的打算。

此时，两位天秀士物的涌现冲破了这一僵局。
英国科学家图灵和美国科学家喷鼻香农为当代打算机的发明奠定了坚实的根本。

图灵（1912年6月23日－1954年6月7日）

过去人们为不断改进机器的繁芜度而努力，图灵却并没有加入到个中。
相反，他开始从底层思考打算机的实质。
他希望从源头上清楚地知道打算机究竟能办理什么样的数学问题。
他对打算机的设想从最初就比其他人更加富有远见。
图灵直接思考着最终极也最为困难的问题，即对付那些有可能在有限步骤打算出来的数学问题，能否有一种假想的机器，让它不断运动，末了当机器停下来的时候，就能得到问题的答案。

1936年，图灵终极找到了一种有效并且通用的方法，按照此种方法设计出的机器，终极一定能给出一个数学问题的答案，只要它在理论上可以在有限步骤内剖断结果。
全体方法表示为一个抽象的数学模型，也便是大名鼎鼎的图灵机。
简而言之，图灵的基本思想便是用机器来仿照人们用纸笔进行数学运算的过程，而图灵机即指代这样一个抽象的机器，由这个机器替代人们完成数学运算。
目前全天下所有的打算机，都是某种图灵机的变形，它们能办理的问题，都严格受制于图灵设计的范畴[1]。

有了图灵机的灵魂，还须要把理论变为现实。
这得益于另一位天秀士物喷鼻香农。
喷鼻香农在其1938年的硕士论文《继电器与开关电路的符号剖析》中设计了一种二进制的开关逻辑电路，它能够实现布尔代数的全部根本功能。
这篇论文奠定了数字电路的理论根本，也因此被誉为二十世纪最主要的一篇硕士论文。

根据喷鼻香农的洞见，所有的加减乘除都可以变成等价的布尔二进制的逻辑运算，而那些二进制的逻辑运算，则可以通过大略的电路来实现。
这样为理解决一个繁芜的数学问题，只须要将其分解为很多加减乘除的运算，然后等价为开关电路的逻辑运算。
后者的实现就间接达到了前者的目标。
本日所有的打算机处理器的运算功能，都是基于无数个这样的电路拼接而成。

喷鼻香农（1916年4月30日—2001年2月24日）

喷鼻香农的另一个重大贡献便是模块化的思想，通过把少数大略的模块搭建在一起来实现繁芜的功能。
这也成了当代工程设计的核心思想。
今日在国防、航空航天、大数据等领域独领风骚的超级打算机便是模块化的精品。

在图灵和喷鼻香农之前，每一个打算机的设计都只能针对办理某个详细的问题。
比如留声机和收音机的事理虽然相似，但是内部构造却截然不同。
火车和汽车同为交通工具，却也须要完备不同的设计思路来办理其动力问题。

通过他们的伟大创新，人们终于可以设计出一种通用的机器硬件，然后再设计一组掌握指令。
对付不同的问题，利用同一套硬件，只须要改变掌握指令的序列就能办理。
从此打算机的设计迈上了康庄大道，各种功能繁芜的打算机相继问世，并且其硬件功能伴随着摩尔定律不断更新迭代。
自图灵起，信息时期终于垂垂拉开了序幕。

参考文献：

[1]《文明之光》，吴军，2014年，公民邮电出版社。

[2]《哥德尔、艾舍尔、巴赫-集异壁之大成》，侯世达著，2013年，商务印书馆。

[3]《暗韶光》，刘未鹏，2011年，电子工业出版社。