7.4.1 计算机发明的科学基础
计算机是改变人类社会的伟大发明，对于这项发明作出主要贡献的人有冯·诺依曼（Von Neumann）、图灵（Turing）、哥德尔（Goedel）、莫克利（Mauchly）和埃克特（Eckert）。莫克利是物理学家，埃克特是工程师，他们从事政府资助项目来建造第一个电子计算机。冯·诺依曼作为数学家，加入到研究团队，提供了数学计算的算法。冯·诺依曼提供了知识的科学基础，支撑了莫克利和埃克特的技术研究。
1931年，哥德尔发表了关于数学没有建立完全自我约束的基础的论文。哥德尔引入了一个有趣的新的符号，能够将数学证明或者计算表述为一系列的步骤，每一步骤作为数学指令。这个符号后来成为冯·诺依曼关于存储程序计算机的核心观点。所有数学证明以及数据的逻辑表述，能够表述为一系列数字编码的指令。图灵使用哥德尔的观点用于表述连续数的一系列的数学证明。图灵对哥德尔的研究作了重新论述，他用现在叫作“图灵机”的简单形式设备代替了哥德尔的通用算术为基础的形式语言。图灵还是证明了这样的机器有能力解决任何可想象的用算法来表达的数学难题。
从电子计算机的发明来看，首先要有科学的想法——这为后来发明计算机提供知识（知识的科学基础）。这些数学计算的科学设想的形式是一系列的操作指令——哥德尔的符号和图灵关于计算项目的想法（所谓图灵机）。
7.4.2 ENIAC计算机的发明
计算机的发明需要两种知识：一是图灵和冯·诺依曼关于计算的数学知识，二是阿塔纳索夫和莫克利关于计算的工程知识。1942年，莫克利（物理学家）和埃克特（工程师）在宾夕法尼亚大学发明了第一个电子计算机ENIAC，这是二战时期由美国军队资助的研究项目。莫克利对于计算机的设想始于1941年，他从爱荷华州立大学的物理学家阿塔纳索夫学到一些计算电子学知识。莫克利拜访了阿塔纳索夫，后者向他展示了实验性的电子加法器。阿塔纳索夫电子加法器的核心是触发电路（flip-flop circuit）。触发电路将两个真空管连接起来，当一个电子信号来到其中一个真空管的网格时，它会处于导电状态，而另一个连接的真空管会处于非导电状态。莫克利认为自己可以根据阿塔纳索夫的触发电路建造一个二进制系统（Brittain，1984）。一个信号可以打开真空管的网格，保持导电的状态（1的状态），另外一个信号可以关闭真空管的网格，保持不导电的状态（0的状态）。不论是哪种状态，触发电路都保持稳定状态，直到有新信号到来。莫克利设想使用一系列触发电路去描述一个二进制数字系统，建造一个可重构的计算机器。
1907年，莫克利出生在俄亥俄州的辛辛那提。1932年，他在约翰·霍普金斯获得物理学博士。1933年到1941年，他在乌尔辛纳斯学院教授物理。1941年，他应邀加入宾夕法尼亚州立大学。1942年秋季，莫克利建议建造一个计算机，并且提交给美国陆军Ordinance部门（Army Ordinance Department）。美国陆军同意了这个创意，并且给宾夕法尼亚大学建造这个机器的研发合同，即所谓“ENIAC”计算机。莫克利是研究工程师，而埃克特担任首席工程师。布雷纳德（J.G.Brainerd）是项目的监督主管，一些其他的学者加入这个团队。这是一个庞大的任务，需要大量的研究团队（Brainerd and Sharpless，1984）〔209〕。
ENIAC在建设过程中占据着一个巨大的空调房间，四周的墙壁覆盖着机柜，机柜中包含着电子管电路。电路机柜重达30吨，需要耗能174千瓦。当时面临的主要问题是真空管的质量问题。莫克利和埃克特测算，ENIAC需要使用17 468个真空管，平均8分钟会出现一次故障，这将使ENIAC没有用武之地，不能够计算任何超过8分钟的计算任务。他们不断进行优化，让真空管承受的电压低于额定电压的一半，额定电流的四分之一，将真空管的故障率降低到2天一次。莫克利和埃克特在装满水银的垂直管子中发明了包含声波延迟线的存储器（electro-acoustic delay line）。因为所需电缆实际长度的缘由，这个技术的不足在于快速存储器的空间很小，Forrester建造SAGE计算机时解决了这个问题。
莫克利和埃克特关于ENIAC的概念没有包含计算机的“存储运算（storedprogram）”的科学观点，而这是冯·诺依曼的贡献之所在。冯·诺依曼以咨询顾问的方式加入了ENIAC团队，他对EDVAC的设想有特别的兴趣。他帮助确保EDVAC的合同，并且与莫克利和埃克特进行了长时间的讨论（Heppenheirmer 1990，p.13）。在1945年冯·诺依曼完成了著名的论文“关于EDVAC报告的第一个手稿（First Draft of a Report on the EDVAC）”，这是计算科学领域最有影响力的文章之一。这份手稿只署有冯·诺依曼的名字，他拒绝与莫克利以及埃克特等其他人分享，这在后来引起了知识产权的争议。这个专利非常有价值，在图灵、冯·诺依曼、莫克利和埃克特之间引发了争议。根据美国的专利法，谁也无法申请相关专利，所以存储操作的计算机没有基本专利。
7.4.3 SAGE计算机的发明
在莫克利—埃克特计算机项目被美国陆军所资助之后，第二个重要的计算机项目是福里斯特（Jay Forrester）的SAGE项目，由美国空军资助。莫克利和埃克特成功地发明了第一台存储程序电子计算机，但是并没有成功商业化。技术问题是莫克利和埃克特将用了声音延迟线用于计算机的快速存储。这使得商用的计算机没有充足的存储任务的能力。技术上的改进是采用铁核的快速存储技术，这是福里斯特的发明，他的发明使计算机变得更加有效。1946年1月，福里斯特向军方提出建造数字计算机的项目建议，并将计算机用于飞行器的计算和分析。技术问题的关键是计算机的主要存储子系统。根据飞机模拟器中实时控制飞行器的需要相比，当时所用的水银延迟线和旋转的磁鼓技术速度太慢了。当福里斯特完成了项目，他成功建设了第一个使用铁核列阵作为主存储的计算机。
下一个阶段是计算机的商业化。尽管大学的研究项目为美国国防部设计了计算机，量产创新的产品则需要工业公司的介入，当时IBM涉足计算机领域。MIT和IBM达成交易，IBM在纽约州的波基普西的领带工厂租赁办公场所，并且开展工作，并将项目命名为SAGE。IBM使用来自SAGE项目的设计原则，用来设计和生产他们第一代商用大型机的生产线。
莫克利—埃克特的发明（EDVAC）以及福里斯特的发明（SAGE）同时出现在美国国家创新体系之中。莫克利—埃克特在宾夕法尼亚大学提出并且实施了一个研究项目（EDVAC），该项目由美国陆军资助。福里斯特提出并且实施了一个研究项目（SAGE），该项目由美国空军的研究项目资助。下一步是将技术转移到商业应用。莫克利—埃克特成立了一个新公司，由人口统计局的政府资金资助，IBM生产的SAGE计算机则由空军资助。当IBM为空军建设了SAGE计算机，它将技术从大学（MIT）先转移到产业（IBM），拥有了重要的技术优势，并用于生产早期的商用计算机。IBM成功量产铁核存储器。对于新兴的计算机产业来说，这是关键的战略竞争力。
商业化突破式创新发生在国家创新体系的微观层面，如图7-11所示。在微观的企业层面，成功地运作新产品和服务的条件是：好的生产能力来提供硬件产品；销售能力；融资能力；管理人才的能力；管理信息的能力；设计新产品和服务的工程能力；开发新技术的研究能力。
大学与产业的合作（IBM和MIT）为政府顾客发明并且建造了第一代使用的计算机。IBM进而推出并且销售商用计算机给企业，逐渐主导了整个新产业。
7.4.4 IBM的360计算机
IBM在随后四十年中主导了大型机产业。20世纪50年代，在下一代计算机中使用电子晶体管替代了电子真空管。1955年1月，IBM考虑设计新的计算机产品线。他们注意到顾客需要速度尽可能快、存储量尽可能大的计算机。问题是如何融资来支持对下一代高绩效计算机的研究。IBM试图寻找政府资金的支持。从国家创新体系的宏观层面来看，下一代技术的发明是高风险和昂贵的研究活动。
早期，美国空军购买了计算机用于防空，IBM借此机会进入计算机领域。IBM建议研发下一代的计算机，他们称之为Stretch。Stretch计算机在逻辑回路中使用晶体管替代电子真空管。IBM向美国国防部门（National Security Agency，NSA）提出了自己的研究建议。尽管政府支持的研究项目对于IBM来说并不总是有利可图，但能够使IBM在产业发展早期处于领先地位。IBM将研究活动转变为商业技术能力。IBM在成功解决产品不兼容的问题之后，1965年4月成功推出360计算机。从1966年到1971年，IBM的总收入增加了一倍，从36亿美元到83亿美元。
图7-11 突破式创新流程——将知识转换为价值
7.4.5 个人计算机产业的发展
1970年到1980年之间，个人电脑产品线主要是计算机产业的利基市场，后来发展成为大众市场。最初，个人电脑市场是业余爱好者的市场（作为市场应用的技术创新）。后来，电脑成为互联网和电子商务的核心。
大型计算机产业孕育了个人电脑的潜在市场，第一批顾客是计算的业余爱好者。计算机爱好者需要个人计算机的完整应用系统。新产业不仅需要提供主要设备，而且需要提供外围设备，并且使用个人计算机去执行计算应用。新产品在爱好者杂志中公开，这对于新的消费型技术产品的商业成功非常关键。个人计算机的重要部件是计算语言，盖茨和艾伦（Bill Gates ＆Paul Allen）已经为Altair撰写了Basic的语言界面（Gates，1984）。早期个人计算机使用Basic作为编程语言。
在个人计算机发展的最初阶段，Apple是四个主要的竞争者之一。其他早期竞争者是Radio Shack，Commodore，Texas Instruments和Atari。1980年，个人计算机所需要的主要部件都已经开发出来，整个产业获得指数级的增长。从20世纪60年代到80年代，IBM主导大型机的市场。IBM观察到个人计算机市场的发展，并且在1981年推出了IBM个人电脑。当时，IBM的计算机使用Intel的16位字节的芯片，拥有超强的性能。当年，IBM宣布获得7%的市场份额。1982年，IBM和Apple的市场份额都达到24%。IBM随即为个人计算机制定了工业标准。
1981年，IBM进入市场的时候在技术上采用紧跟战略。在平衡技术领导和市场领导方面，IBM采用技术上稍微领先，市场上强力领导的战略。当时，IBM没有充分利用自己的技术能力并且开发专有的操作系统，他选择授权比尔·盖茨开发开放的系统，同时选择从半导体制造商Intel购买CPU芯片。这两个决策对于IBM在个人计算机的长期市场地位是致命的，对微软和Intel两家企业是巨大的恩惠。从20世纪80年代到90年代，Intel和微软获得繁荣，IBM的市场份额被其他克隆的计算机制造商蚕食。IBM从80年代最高的37%下降到90年代的8%，2000年，IBM将笔记本出售给中国的联想。2000年，微软和Intel因为掌握核心技术而主导了零部件市场，而没有单一企业主导个人计算机的主机市场。
7.4.6 启示与思考
一个有竞争力的创新生态系统包括的特性：工业部门具有强大的研究能力；有高质量的研究型大学；至少有一个以上有国际竞争力的产业和服务部门；拥有评价高质量绩效的文化；有强力资助大学从事研发的政策；在产业创新和基础研究建立平衡。从计算机的发明到商业化给予我们诸多启示：
第一，科学家的研究提出了关于物质存在和物质如何运作的基本和普遍的问题。例如，图灵提出了使用哥德尔记号法的计算数学。
第二，科学家需要利用新的仪器去发现和研究问题。例如，莫克利拜访了图灵，阿塔纳索尔、莫克利、戈德斯坦以及冯·诺依曼这些科学家，所有人都指出了电子计算机作为新仪器的重要性。
第三，研究工作是由不同背景的科学家和工程师群体开展的。例如，图灵、冯·诺依曼和戈德斯坦是数学家，而阿塔纳索夫和莫克利是物理学家，而埃克特是个工程师。
第四，当不同角度的研究成果得到足够数量，并且汇聚在一起的时候，重要的科学和技术进展就会发生。例如哥德尔和图灵的观点与冯·诺依曼和莫克利关于存储计算的观点碰撞在一起的时候；阿塔纳索夫的触发回路和莫克利的二进制碰撞到一起的时候。
第五，科学和技术进展需要时间，需要耐心和持续的资助。美国陆军支持了ENIAC计算项目，美国空军支持了SAGE计算项目，并且从IBM购买计算机。
第六，从经济发展的角度来看，科学和技术应该被视为面向未来技术可能性的社会性投资。
第七，一旦科学家创造了新的知识基础，新技术的发明常常会相伴发生。
第八，当新技术已经普遍渗透到多个产业，技术革命会助力经济的新发展。
［9］Heppenheimer，T.A.How von Neumann showed the way［J］.American Heritage of Invention and Technology，1990，6（2）：8-16.
【注释】
[1]案例的资料和背景节选自：Betz F.Managing technological innovation：competitive advantage from change［M］.John Wiley ＆Sons，2011。
[2]案例的资料和背景节选自：Betz F.Managing technological innovation：competitive advantage from change［M］.John Wiley ＆Sons，2011。
【注释】
〔201〕The dynamics of innovative regions.The GREMI approach［M］.Ashgate Publishing，1997.
〔202〕Abernathy，W.J.，Utterback，J.M.Patterns of industrial innovation［J］.Technology Review，1978.
〔203〕Dosi，G.Technological paradigms and technological trajectories：a suggested interpretation of the determinants and directions of technical change［J］.Research Policy，1982，11（3）：147-162.
〔204〕Foster，R.（1986）.Innovation：the attacker's advantage.New York：Summit books.
〔205〕Tushman，M.L.，Anderson，P.Technological discontinuities and organizational environments［J］.Administrative Science Quarterly，1986：439-465.
〔206〕Geels，F.W.Technological transitions and system innovations：a co-evolutionary and socio-technical analysis［M］.Edward Elgar Publishing，2005.
〔207〕Betz，F.Managing technological innovation：competitive advantage from change［M］.John Wiley ＆Sons，2011.
〔208〕Markoff，J.An internet pioneer ponders the next revolution［J］.The New York Times on the Web，1999.
〔209〕Brainerd，J.G.，Sharpless T.K.The Eniac［J］.Proceedings of the IEEE，1984，72（9）：1203-1212.
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