人类的进化与无线电电子学

人类的进化与无线电电子学_人类与自然界的进

第一节　人类的进化与无线电电子学

无线电电子学是20世纪发展最迅速、应用最广泛的科学技术成果之一，它正在广泛地应用于一切科学技术和国民经济领域。人类的生活和无线电电子学的关系越来越密切。现在无线电电子学仍是方兴未艾，无论是在科学上和技术应用上都有十分广阔的发展前景。

1.电子技术的产生

早期的无线电波是使用火花发射机产生的，它发射的是分米波。由于火花式发射机本身存在一系列缺点，不可能得到高质量的远距离通信，当然也不能满足无线电技术发展的需要。为此，科学家和无线电工程技术人员作了不懈的努力。

无线电电子学是从物理学中分离出来的。19世纪末，麦克斯韦创立了电磁场理论，预言电磁波的存在。1887年至1888年德国物理学家赫兹发现了电磁波，证实了麦克斯韦的理论。1896年，俄国科学家波波夫（1859～1906年）成功地发送了一份无线电报。1901年，年轻的意大利发明家伽称尔摩·马可尼（1874～1937年）在英国邮局电气工程师的协助下，在伦敦邮政大楼架设了他发明的无线电报机，成功地把无线电报发送到大西洋彼岸。从此，在现代人类生活中起重要作用的无线电技术诞生了。

伽称尔摩·马可尼

如今，无线电电子学已逐步发展成为一个庞大的学科，它的应用范围也迅速扩大，而且超出了通信领域。

我们称那些在无线电中被采用的电磁被（长波、中波、短波和微波）为无线电波。电磁波的频率（或波长）范围很广，从理论上讲，它的频率范围是无限的。从波长大于10000米的长波无线电到波长仅有10～14米的高能γ射线，其波长变化高达10～18倍。我们把电磁波按波长（或频率）大小顺序分为无线电波、红外线、可见光、X射线、γ射线等。研究各种无线电波的特性和应用，研究制作各种无线电设备的理论和技术，都属于无线电电子学之列。

无线电发明后不到十年，利用电子在真空中运动来工作的电子管（或称真空管）便应用于无线电设备中。现在我们把研究电子器件的制作原理和技术及其应用的科学称做电子学。电子学的理论研究可追溯到19世纪末电子刚被发现的那个时代，而实用电子学的形成则始于20世纪初。

1883年，美国发明家爱迪生发现，当灯泡中装上一个金属片时，便在金属片附近出现蓝色光泽，后人称做“爱迪生效应”。1904年，英国电气工程师弗莱明（1849～1945年）把灯丝和金属片封入抽成真空的玻璃管中，成功地制作了世界上第一只电子管。

人类第一支电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。弗莱明仔细研究了电流在灯丝和金属片之间的流动情况，他发现这种管子是一个优良的整流器，即金属片带正电时，管中有电流通过，而当金属片带负电时，管中没有电流通过或通过的电流很小。弗莱明曾把他的电子管用来作为检测无线电报信号的检波器。

早期的无线电应用

对电子管的最重大的改进，应归功于美国著名发明家德福雷斯特（1873～1961年）。1906年，德福雷斯特在弗莱明的管子中加上一个金属丝网，或者称栅极，栅极装在阳极和阴极之间，称做真空三极管。如果在栅极上加一小的负电压，它将阻止阴极上的发射电子向阳极运动而使电流下降；如果在栅极上加一小的正电压，它将吸引发射电子而使阳极电流增加。这样就可以利用栅极电压的微小变化实现对阳极电流的控制。德福雷斯特利用他发明的真空三极管为美国海军制造了一台大功率无线电台并于1916年第一次播放新闻节目。

电子管和电子器件的发明与应用，不仅改善了无线电设备的性能和效率，而且使无线电技术能更广泛地应用于其他科学技术领域，促进无线电的更大发展；另一方面，无线电技术的发展，对电子管和电子器件的设计、制造提出了新的要求。无线电学和电子学在发展上相互渗透，相互促进。紧密相连，所以人们常把它合称无线电电子学。

信息传递是人类社会生活中的一件大事，在现代社会中尤为重要。通信在人类历史和人类发展中起重要作用，它的产生和发展，尤其是无线电通信的发展是与无线电电子学分不开的。所谓通信，广义地说就是两个不同单元之间彼此传递信息。这两个不同单元可以是人与人，单位与单位，细胞与细胞以及其他等等。因此，通信在自然界及人类社会中是非常普遍的。人们在发现无线电波以后，便开始利用电磁波做远距离传递信息的工具，无线电报、无线电广播的诞生，在通信技术史上写下了光辉的一页。

无线电仪器

1920年，人们发现电离层对无线电短波的反射作用后，使无线电通信距离大大增加。短波通信是早期国际通信的主要传输手段，至今仍在继续使用。第二次世界大战期间，由于雷达的发明与应用，促进了微波技术的蓬勃发展。战后，在此基础上发展起来了微波多路通信，并已做到在一条微波通信信道上同时能通几千路甚至几万路的电话，使无线电通信水平有了很大提高。

人造卫星

20世纪50年代初，出现了微波接力通信技术。1950年，美国在纽约和芝加哥两市之间建起第一条可容480路电话的微波接力通信线路。现在，微波接力通信已广泛应用于国际通信的各个方面。

20世纪60年代以后，无线电通信进入一个新的发展时期，即卫星通信时代。理论计算表明，如果把人造地球卫星发射到赤道上空离地面35786公里高的轨道上，它的运行周期就和地球完全一样，这类卫星称为“同步定点卫星”。如再在赤道上三个适当地点各放置一颗同步定点通信卫星，它们发射的超短波或微波就可覆盖全球，可把信息转播到世界各地。

1965年4月6日，美国通信卫星公司控制的“国际通信卫星财团”发射了第一颗商用通信卫星“晨鸟”号（后改为国际通信卫星1号）。从1965年到1980年底国际卫星通信组织已发射五代、六种不同型号的国际通信卫星。其中国际通信卫星5号当时是由美、法、西德、意大利、日本共同研制的，研制和发射这颗卫星总共耗费7500万美元。更新的通信手段除了卫星通信之外，光通信最有前途。

2.电子技术的发展

电子技术是与人类社会关系密切的先进技术，它的发展对改变人类生活面貌所起的作用比其他技术更大。

目前，电子技术已经达到壮年期而进入成熟阶段，电子技术的发展主要表现在应用领域的不断扩大以及全面而广泛地渗透到人类社会的各个方面。正如美国斯坦福研究所研究员泰戈所说的：在过去的35年里，电子工业以某种富有创造性的、由技术来推动的方式发展，在未来25年间，它将转而以某种成熟的、由应用来刺激的方式进步。

未来电子技术发展的特点可以概括为集成化、数字化、系统化和智能化等四个方面。

（1）集成化

20世纪50年代以来，电子管逐渐被晶体管和集成电路所取代。尤其是20世纪70年代以来，集成电路技术发展迅猛，从大规模集成到超大规模集成，而且已经形成一个新兴的工业部门——微电子工业。

（2）数字化

集成化是引起计算机技术和通信技术产生革命性变革的关键。电子计算机经过单功能、多功能、集中处理的阶段，目前正在向分散处理的阶段过渡。1978年，美国生产的计算机数量超过当年全国人口出生数，微型机芯片数量已超过全国人口总数。计算机在美国的社会拥有量表明电子技术向数字化发展的趋势之烈。把信息数字化并与计算机结合而产生的电脑通信将开辟前所未有的可能性。

随着社会经济的发展，人口的增长，人类对信息的产生、收集、处理、存储、交流、利用的需要日益提高，以光缆、卫星等新型通信手段与传统的电话、电报、广播、电视等相结合而形成的全球性信息网络正好可以满足这样的要求。

（3）系统化

电子计算机与通信网的结合形成了电脑通信，其意义相当于人的大脑与神经网络的结合，这就使信息的存储、处理和传输密切地结合起来，发挥着巨大的作用。因此说，电脑通信是通往全球信息社会的桥梁。随着电脑通信的发展，电子产品将日益趋向组成系统、完成范围极其广泛的多种功能。

（4）智能化

电子技术的发展，为人类创造了使用工具去延伸人的智力的条件。电子产品自身也将具有自检测、自诊断、自修复等多种带有智能的新功能。智能机器人正是电子技术向智能化方向发展的典型代表。在智能化方面，引人注目的变化是人机接口方式。

现代电脑显示器及主机

目前，人与机器之间的“对话”通过键盘、旋钮、按键、指针等来进行，这时，人要主动地去适应机器。将来，人与机器之间的“对话”将要求机器去适应人。利用语言识别与合成技术，人与机器之间可以像人与人之间那样对话。电子技术本身是一门很强的技术科学。由于微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展，过去与它似乎毫不相干的一些社会科学（例如心理学、语言学、社会学等）都显示出将与电子技术建立起新的伙伴关系的趋势。这些学科借助电子技术而有新的发展，形成新的交叉学科，人工智能就是典型的例子之一。

便携式录像机

电子技术本身也在起变化。过去人们习惯上把电子技术看成为具有数据（信息）、处理、通信与测量这三个明显分支的学科，然而，由于技术发展的结果，它们之间的界限正在逐渐消亡。

珠算

玉如意算盘

3.电子计算机科学技术的发展

人类社会的生产、生活和交换活动都会有很多需要计算的问题。社会越是发展，需要计算的问题愈来愈复杂，于是就出现了辅助人们计算的工具。中国最早的计算工具是算筹。算筹是用竹子或其他材料制成的小条（棍），按一定的规则排列，即可代表不同的数，这就可以帮助人们记忆和运算。

随着社会的发展，算筹已经不能满足人们的需要，于是出现了算盘。元代时我国已比较普遍地使用珠算了。古罗马人也曾使用过一种与之类似的算盘。

文艺复兴以后的欧洲，手工业生产和商业活动迅速发展，手工计算已不能满足社会的需要，计算工具的改革就提到日程上来了。以钟表制造技术为代表的精密机械制造技术给了人们以启发，人们开始考虑，既然像钟表这样的装置可以用齿轮的传动满足一定的需要，那么能否制造一种可以计算的机械装置呢？1623年德国数学家什卡尔特（1592～1635年）最早提出了制造机械计算机的一些想法。

电子计算机是20世纪最重大的技术成果之一，由于它具有存储数据和记忆的能力以及进行逻辑推理和判断等功能，并且运算速度快，计算精度高，因此作为一种自动、高速、准确的运算、控制和管理工具，已广泛应用于工农业生产、国防和国民经济各部门，直至家庭日常生活之中。

（1）第一台机械式计算机

电子计算机在国际上已成为物化了的人的部分智力的机器，它代替了人的部分脑力劳动，而且在一定程度上比人做得更好，所以现在有人把它称为“电脑”是恰当的。电子计算机正在使人类走上智力解放的大道，它使科学技术和生产的结构发生着革命性的变化，对人类历史的进程产生越来越大的影响。

布莱士·帕斯卡

勒奈·笛卡儿

第一台机械计算机是1642年由法国数学家布莱士·帕斯卡（1623～1662年）发明的。从1642年开始，帕斯卡着手研制机械加法器，他借助精密的齿轮传动解决了加法的计算问题，并一举获得成功。该机在人工操作下能快速地进行十进制的加减运算，这就是世界上第一台机械式计算机，于1649年获得英国皇家专利权，现存于法国巴黎博物馆。他的这台机器实际上是个八位加法器，这台机器制成后，帕斯卡在勒奈·笛卡儿（1596～1650年）哲学思想的影响下，进一步考虑用机器去模拟人的思维，因为他认为人的思维过程是简单的机械过程。这台计算机以及用机器去模拟人的思维的思想，对后来计算机的发展产生了一定的影响。

（2）第一台手摇式计算机

帕斯卡的工作吸引了许多人，其中包括德国著名数学家、微积分的发明者之一的戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（1646～1716年）。帕斯卡逝世后的第五年，即1667年莱布尼茨来到法国巴黎游览，1671年他又作为一名外交官出使法国巴黎。莱布尼茨在巴黎结识了许多数学家，并与荷兰数学家惠更斯结为挚友，在惠更斯的帮助下，他研究了笛卡儿、费尔马、帕斯卡等人的著作，他参观了法国博物馆，帕斯卡的“加法器”引起了他的注意，并敏锐地察觉到，帕斯卡的发明具有重大意义，并设想既然能进行加减运算，为什么不能进行乘除和其他运算呢？莱布尼茨提出了直接进行机械乘法计算机的设计思想，并在此基础上，制成了世界上第一台“乘法器”。后来他又对乘法器进行了改进，并以梯形轴为主要部件，设计了一个长100厘米、宽30厘米、高25厘米的机器，这就是人类历史上第一台手摇式计算机。

戈特弗里德·威廉·莱布尼茨

莱布尼茨对计算机的发展所做的杰出工作，是他提出了直接进行机械乘法的设计思想，并且于1671年制成了一台可以进行加、减、乘、除四则运算的计算机。手摇计算机的发明，受到了社会的极大重视，当时不仅在欧洲得到了广泛应用，而且很长时间遍布于世界各地，该机现存于德国汉诺威博物馆。莱布尼茨对计算机的发展的另一项重要贡献，是他最早给出了系统的二进制的运算法则。

18世纪末，法国政府进行度量衡制度的统一和改革工作，由于普遍采用十进制，就需要重新制定三角函数表和其他数学用表。这一工作因计算任务太重，仅仅由几个数学家在短时间内是无法完成的。因此，他们想出了一个办法，他们把复杂的计算步骤分解为一系列简单的加、减运算，然后编好一定的程序，让100名不太懂得数学的妇女，按照程序设计的要求去进行各种简单的计算。结果，制定表格的任务很快就完成了。后来他们认识到，完成这一工作中所采用的一套行之有效的管理方法和计算机的程序设计思想之间有着很多相似之处。

（3）巴贝奇的差分机与分析机

19世纪初，各种数字表、航海表都是人工计算的，这不仅花费大量时间，而且充满了错误。著名的英国数学家查尔斯·巴贝奇（1792～1871年）还在大学读书的时候就想到，由于计算不精确，这才造成了1766年英国编制的航海表中的许多错误，因此使他产生了设计计算机的念头。他从法国重新制表工作中得到了启发，并且对“上百名计算人员像机器那样，服从于几个数学家的指令，而有条不紊地工作”特别感到兴趣。

查尔斯·巴贝奇

他想，设计制造计算机最困难之处在于机器不容易直接进行复杂的运算，如果使机器按照事先编好的程序去做许多简单的计算，这样机器就能最终完成复杂的运算工作。1812年他开始设计被他称为“差分机”的计算机，1822年这台机器制造成功。这台机器能根据设计者的安排，自动完成高次多项式的整个运算过程，它的存储器是由齿轮组构成，“差分机”是程序设计思想萌芽阶段的产物。他用这台机器计算了平方表和一些其他表格。同年，他正式向英国政府申请资助，提出要制造一台称为“分析机”的计算机。英国政府答应拿出1.7万英镑的巨款资助这一计划的实施。

在巴贝奇设计计算机的过程中，他还得到了另一种机器的启发，这就是1804年法国人用穿孔卡片控制提花程序的自动提花织机。这种机器实际上是在中国古代提花机的基础上改进而成的。巴贝奇认识到，他同样可以把程序编制在穿孔卡片之上用以控制计算机的工作。

1822年研制成功的差分机

在设计分析机的过程中，他还设想了现代程序设计中的一些原理，例如，他想能否将一些特定的数据存储在外存储器内，一旦人们需要，便能马上送入机器进行运算。他设想了一种现在称为条件转移的指令，即在分析机解题时，它可以依据计算结果的正、负号，从可能继续运算的两条路线中自动选择一条路线使运算继续进行下去。但是，巴贝奇所设想的机器结构过于复杂，技术上遇到了许多困难，因而没有获得成功。

巴贝奇的计算机

1842年英国政府停止了对这个项目的资助，巴贝奇的工作也就无法继续进行。他去世后，他所创造出来的机器都被送到了英国皇家学会博物馆作为收藏品。十分幸运的是，巴贝奇对他的机器的各种设想都有很详细的记录，这是他留给后人的珍贵遗产。

查尔斯·巴贝奇是一位计算机自动化研究与制造者的先驱，是世界上第一位提出类似于现代计算机五大部件概念的科学家。直至20世纪40年代，他的被埋没了许久的天才设想才真正被人们所认识。

在巴贝奇设计他的分析机的时候，相当多的人都很难理解他的工作，但英国著名诗人拜伦的女儿艾达·拉夫拉夫斯基伯爵夫人却对他的工作给予了很大的支持。在翻译巴贝奇在意大利的演讲和谈话记录时，她结合自己的想法，写下了许多注释，其中包括分析机编制具体函数的计算过程。这个注释成了关于程序设计的最早的著作。艾达·拜伦的思想为现代程序设计奠定了基础，可惜艾达·拜伦早逝，但她在程序设计上的突出贡献，被誉为世界第一位程序员，她的名字也与现代计算机程序设计语言Ada紧紧地联系在一起。

19世纪末，一种新的社会需要促成了统计分析机的诞生。美国每10年进行一次人口调查，然而1880年的这次调查，直到1887年还没有统计完毕。

为了顺利进行1890年的人口调查，迫切需要一种能够迅速处理大批数据的机器。美国工程师赫尔曼·霍勒瑞斯（1860～1929年）认识到，人口统计工作的运算虽极其繁杂，然而大量工作是重复性的。他吸取了用穿孔卡片帮助进行人口统计的思想，说服了美国人口调查局采纳他制造的机器以进行统计的意见。为此霍勒瑞斯于1888年制成了一台具有实用价值的卡片程序控制计算机。他把信息用穿孔的办法记录在卡片上，再利用早已成熟的弱电流技术识别和传递这些信息到机器中。1890年这台机器用于人口普查工作，立见成效。

赫尔曼·霍勒瑞斯

霍勒瑞斯看到了计算机在商业上的发展前景，于1896年创办了制表机器公司。1924年这家公司与其他公司合并，改名为国际商业机器公司（简称IBM公司）。IBM公司现已成为世界上最有影响的生产电子计算机的公司之一。

1890年人口统计时的操作人员

霍勒瑞斯发明的制表机

阅读延伸·IBM公司

IBM，即国际商业机器公司，1914年创立于美国，是一家拥有40万中层干部，520亿美元资产的大型企业，是世界上最大的信息工业跨国公司。拥有全球雇员30万多人，业务遍及160多个国家和地区。

IBM始终以超前的技术、出色的管理和独树一帜的产品，领导着全球信息工业的发展，保证了世界范围内几乎所有行业用户对信息处理的全方位需求。1969年，阿波罗宇宙飞船载着3名宇航员首次登上了月球，1981年哥伦比亚号航天飞机飞上太空，这两次历史性的太空飞行都凝聚着IBM公司的智慧。

伴随着IBM在中国的发展，IBM中国员工队伍不断壮大，目前已发展到近3000人。1934年IBM公司为北京协和医院安装了第一台商用处理机，1979年IBM年在沈阳鼓风机厂安装了新中国成立后的第一台IBM中型计算机，1992年IBM在北京宣布成立国际商业机器中国有限公司，这是IBM在中国的独资企业。1995年IBM在北京成立了IBM中国研究中心，这个研究中心是IBM在全球第七个科学实验室，成立以来，在中文语音识别、机器翻译和电子商务等领域均取得了重要的研究成果。在实施扎根中国的战略中，IBM努力成为中国资源的一部分。目前，IBM已在中国成立了9家合资公司，另外还成立了两家独资企业。

IBM的产品发展战略是以世界一流的最新技术开发新产品，并以最快的生产速度进入市场。IBM是世界上经营最好、管理最成功的公司之一，拥有先进的全系列产品，在复杂的网络管理、系统管理、密集型事务处理、庞大数据库、强大的可伸缩服务器、系统集成等方面，IBM具有强大的优势。IBM公司追求卓越，特别是在人才培训、造就销售人才方面也取得了成功的经验。IBM公司绝不让一名未经培训或者未经全面培训的人到销售第一线去。

2000年，IBM公司的全球营业收入达到880多亿美元。

统计分析机适用于进行数量庞大而又要多次使用数据的统计工作。继美国之后，不少国家都用它来进行人口统计和其他工作。这种机器刚刚问世的时候，虽然也用电能作为机器的动力，甚至采用了当时先进的弱电流技术，但是机器的计数器仍然用机械原理和机械结构工作，实际上还是一台电动的机械计算机。

（4）朱斯与艾肯

第一个采用电器元件来制造计算机的是德国工程师朱斯（1910年～）。在德国空军研究中心的赞助下，朱斯于1941年完成了Z-3电磁式计算机，这台机器全部采用了电磁继电器，而且还应用了二进制运算，用数字表示存储地址等先进技术，可以进行加减、乘除、乘方、开方运算，还可进行十进制和二进制的转换。这是世界上第一台真正的通用程序控制计算机。

朱斯对计算机的研制工作正值第二次世界大战，他是在完全封闭的情况下进行研制的，对朱斯的机器没有产生多大的影响。大约和朱斯同时，美国的霍华德·艾肯也开始了计算机的研究工作。艾肯在哈佛大学撰写物理学博士论文的过程中，涉及要解许多非线性微分方程的问题，如果用一般的数值近似法求解，工作量非常之大，为此他想利用计算机来解决。他进而希望能制造一台可以解决任何数学问题的通用计算机。

艾肯的想法得到了美国国际商业机器公司的赞助。这家公司派出了4位工程师同艾肯合作，于1944年研制成一台程序控制的自动数字计算机MARK-1。MARK-l的运算速度比以往的计算机有所提高，在它运行期间，解决了大量的计算问题，并且编制了很多数学用表。但是这台机器还只是部分地使用了继电器，它的设计实际上不如Z-3计算机好，只是它的影响比Z-3大。在1945～1947年间，艾肯又领导制造了一台全都使用继电器的计算机MARK-2。除艾肯的工作外，美国的贝尔电话公司也研制成功了继电器计算机。

由于20世纪30年代人们已经具备了制造电子计算机的技术能力，所以，继电器计算机从一开始就注定要很快被电子计算机所替换。但是继电器计算机为早期电子计算机的设计和制造积累了重要的经验，起到了开路的作用。

（5）计算机之父冯·诺依曼

电子计算机的出现并不是偶然的，从算盘到机械计算机，直至继电器计算机，人类不断地改进计算工具，为电子计算机的诞生奠定了技术基础。然而更重要的方面，它是当时社会生产和科学技术发展的要求促成的。

20世纪20年代以后，电子技术和电子工业的发展非常迅速，电子学和自动控制技术有了新的进展，为研制电子计算机提供了可靠的物质基础。正是在这样的条件下，电子计算机诞生了。

20世纪40年代，第二次世界大战正在进行中，因军事上的需要，直接导致了电子计算机的产生。这时，火箭技术、原子能等现代科学技术正迅猛地发展着，急切地需要解一些极其复杂的计算问题，这些问题不仅要做几万次运算，而且可能要做几百万次运算，同时要求运算的时间越短越好，运算的精度越高越好。因为继电器的开关速度不高，大大地限制了计算机的运行速度，所以社会实践对计算机的发展提出了新的要求，继电器计算机已远远不能胜任了。制造电子计算机的关键性技术是用电子真空元件代替电器元件。

阿塔纳索夫·贝瑞计算机

美籍数学物理教授阿塔纳索夫（1903年～）从1937年起，即开始考虑在计算机中引进电子技术问题。他打算试制一台能够解包含30个未知数的线性代数方程组的电子计算机。按照他的计划，这台机器将采用300多个电子管，于1941年年底完成。但由于经济上及其他方面的原因，到1941年初，他只造出了计算机的一个部件，不久这台机器就夭折了。

第二次世界大战期间，电子技术以惊人的速度发展起来，电子管的应用也日益广泛。1942年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系的莫希莱（1907年～）写了一份名为《高速电子管计算装置的使用》的备忘录，提出了用电子管制造计算机的设想，可惜这份备忘录遗失了。1943年初，莫希莱又与军方代表一起重新写了一份报告，同时由研究生艾克特（1919年～）写了一个附录，说明如何用电子元件具体地实现莫希莱的想法。1943年6月莫尔学院与军方签订合同，决定研制“电子数值积分机和计算机”，简称ENIAC（埃尼阿克）。这台机器于1945年制成，它的体积很大，重达30多吨，占地170平方米，用了1.8万个电子管，为了散热还专门配备了一台重30吨的冷却装置。这台机器每秒能作5000次运算，比当时最好的继电器计算机快1000倍，但是机器的可靠性仍然比较差，它只能稳定地工作几个小时。

另外，这台机器的工作程序是由外部交换线路给出的，这种外插型程序显然不便于使用，导致机器运行几分钟却要做几个小时的准备工作。尽管如此，ENIAC采用了电子元件和电子线路实现逻辑运算，这是计算机技术史上一次重大的突破，对计算机的进一步发展起到了重要的作用。

计算机之父冯·诺依曼

正当ENIAC的研制工作即将取得成功的时候，曾担任阿伯丁武器试验场顾问的美籍匈牙利人冯·诺依曼（1903～1957年）得知这一消息时心情异常激动。他是著名数学家，从参加第一颗原子弹的研制工作中，他清楚地认识到，原子核裂变过程中的大量计算问题，没有计算机的帮助是根本不可能的。他仔细地研究了ENIAC的优缺点，总结了它的经验和教训，提出了很多新的设计思想。

1945年初，冯·诺依曼完成了完整的存储程序通用电子计算机EDVAC的逻辑设计方案。1946年，他在别人的协助下又提出了EDVAC的更详细的方案。这个方案包括了近代电子计算机的逻辑结构一系列最主要的特征，其中最重要的思想是关于程序内存的思想。

ENIAC虽然也有存贮数字的存贮器，但数字是由指令来操纵的，指令本身则存贮于计算机其他部件的电路内，解题前必须考虑到所需要的全部指令，并由人工接通相应的电路，这就浪费了大量的时间。

冯·诺依曼设想，程序设计者可以事先按一定的要求编好程序，把它和数据一起存贮在存储器内，这样就可以使全部运算真正的成为自动过程。这不仅解决了计算机的速度匹配问题，而且增强了在机器内部用同样的速度进行程序的逻辑选择的可靠性。冯·诺依曼的方案中的另一个重要的思想是把二进制系统地运用到计算机上。

早在1854年，英国数学家布尔（1815～1864年）发表了他的重要著作《思维规律研究》，成功地将形式逻辑归结为一种代数演算，即今天的布尔代数。在这种代数中，变量只取0和1两个值，它特别适用于只具有开断与接通两种状态的电路系统。如果电子计算机采用二进制，用逻辑线路处理逻辑代数运算就非常方便，所以布尔代数为把电子元件及其线路应用到计算机中提供了重要的理论基础。二进制记数比通常的十进制记数的位数要多一些，但它传递数、存储数和输入数都很方便。二进制只用0和1两个符号记数，它与十进制记数可以相互转换。在二进制那里是逢二进一，正如前面已经提及到的，二进制记数是17世纪莱布尼茨比较系统地提出来的，但直到近300年后，它在电子计算机中才真正发挥了巨大的效用。

令人遗憾的是，正当ENIAC接近完成的时候，竟因争夺发明权问题，EDVAC设计小组完全陷于分裂，几经周折，EDVAC于1952年才完成。但是，英国剑桥大学数学系实验室却根据冯·诺依曼的设计思想先行一步，于1949年制成了第一台程序内存计算机。

中国南北朝时期著名数学家祖冲之（429～500年）耗费38年心血，才把圆周率精确到小数点后的7位数，并给出不足近似值3.1415926，还得到密率π=355/113和约率π=22/7。他的辉煌成就比欧洲至少早了1000年。而电子计算机的出现使π值的计算有了突飞猛进的发展。

祖冲之

1949年美国马里兰州阿伯丁的军队弹道研究实验室首次用计算机（ENIAC）计算π值，一下子就算到2037位小数，突破了千位数。

随着科技的不断进步，电脑运算速度也越来越快，在20世纪60～70年代，美国、英国、法国的电脑科学家们不断地进行电脑上的竞争，使π的值也越来越精确。2010年1月7日，法国一工程师将圆周率算到小数点2.7万亿位。2010年8月30日，日本计算机奇才藤茂利用家用计算机和云计算相结合，计算出圆周率到小数点后5万亿位。ENIAC的诞生倾注了许多科学家的心血，其中著名的科学家冯·诺依曼在一个偶然的机会参与了ENIAC的后期研制，以其独到的见解，创造了现代电子计算机的模型，为现代电子计算机的发展作出了突出的贡献，后被世人公认为“计算机之父”。

人们曾经以为ENIAC是世界上第一台电子计算机，事实上英国人在第二次世界大战期间制成的Colossus机要比ENIAC早好几年，只是由于英国政府保密而很少为人所知。这是一台专为破译密码而使用的电子计算机。1975年英国官方才开始对Colossus机解密。1976年的该机设计者之一富劳尔斯绘出了它的基本电子线路简图，其中的基本单元线路和后来的电子计算机非常相似，而有关机器的详细情况，至今还被英国政府列为秘密。

冯·诺依曼在EDVAC的设计方案中明确地提出了“程序内存”的思想，但是他不是首先提出这种想法的人。他自己就多次说过，这是英国数学家阿兰·图灵（1912～1954年）最早提出来的。冯·诺依曼的一位助手也说过，如果不考虑巴贝奇、艾达·拜伦和其他人早先提出过的有关概念，计算机的基本概念都是属于图灵的。冯·诺依曼所起的作用，是使人们认识到，计算机的基本概念是由阿兰·图灵引进的，并且由此使人们了解到在莫尔学院和其他地方所进行的研制计算机的工作。

世界上第一台电子数字计算机

4.计算机的发展历程

从第一台通用电子计算机问世至今，计算机的发展才经历了30多年，但是它的发展速度是极其惊人的。大致可以这样认为，每过8～10年，机器的运行速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本则降低10倍。按照电子元件的发展，人们把电子计算机的发展划分成四代。

（1）电子管时代

第一代电子计算机为电子管时代，从1946～1956年。这一时期的计算机所采用的电子元件基本上都是电子管，机器从最初的外插型结构逐步变为程序内存结构。机器的运行速度一般是每秒几千至几万次，最快的运行速度为5万～6万次。与后几代计算机相比，它们的运行速度不高，可靠性差，体积大，价格昂贵，维修复杂。这些庞大的机器只能用于军事或国家直接管理的部门，如航天、原子能工业等等。从ENIAC诞生直至20世纪50年代初，电子计算机主要还是在实验室进行单机试制阶段。

1951年6月美国第一台批量生产的电子计算机UNIVAC-l机投入运行。1952年年底IBM公司第一台批量生产的IBM701在纽约向用户开放，这些都表明电子计算机已走向工业生产阶段。到20世纪50年代末，全世界以电子管为元件的电子计算机达5000台左右。

（2）晶体管时代

第二代电子计算机为晶体管时代，时间大约为1956～1962年。这一代计算机的逻辑元件和逻辑线路均采用分立的晶体管元件。20世纪40年代末，人们成功地研制成晶体管，由于晶体管的功耗小。工作电压低，机器的可靠性得以大大提高。晶体管的体积小，重量轻，这对于大量地使用晶体管以提高机器的运行速度提供了条件。这时的计算机的运行速度一般为每秒几万次以上。1964年还制成了每秒二三百万次的晶体管计算机。

1959年4月，IBM公司决定成批生产晶体管计算机。1959年这家公司制成了第一台批量生产的IBM1403机。由于晶体管的大量应用，电子计算机的造价也大为降低，不仅军事部门，工农业和商业等其他部门也开始用上了计算机。

（3）集成电路时代

第三代电子计算机为集成电路时代，时间为1962～1970年。一般地说，计算机的可靠性取决于元件的数量，即元件越多，可靠性越低，而元件的数量同时又决定了计算机的运算能力。集成电路采用了半导体集成技术，大大减少了线路间连接上的焊点，缩短了信息传输上的延迟时间，电路的故障率大大降低，可靠性有了显著提高，计算机的运行速度、体积、重量、功耗以及成本都发生了很大的变化。当初，ENIAC占地面积为170平方米，这时一台与ENIAC同样功能的计算机，不但其体积小了许多，可靠性还提高了1万倍。1962年1月IBM公司生产了IBM360集成电路系列机，从此计算机得到了更加广泛的应用。由于使用集成电路，这一时期的计算机又出现了新的发展方向，即计算机小型化。

（4）大规模集成电路时代

第四代电子计算机为大规模集成电路时代，时间上从1970年至今。1972年IBM公司批量生产了IBM370系列机，其中主存储器采用了大规模集成电路，但逻辑元件还是小规模集成电路。1973年交付美国航天局使用的ILLIAC—IV机，全面地采用了大规模集成电路，它标志着计算机的发展进入了新阶段。建立在大规模集成电路基础上的微型机和巨型机在这一代中产生并且得到了飞速发展。

中国“天河一号”超级计算机

目前世界各国都正在努力发展大规模集成电路计算机，也有少数国家正向第五代计算机努力，它的方向集中在人工智能机、巨型机两个方面。

中国计算机的研究工作是从1956年开始的，这一年成立了第一个计算技术方面的研究单位。1958年10月，中国第一台电子计算机—103机诞生。1965年又研制了运算速度为每秒5万次的晶体管电子计算机。1973年研制了每秒100万次的DJS—11机。1978年又研制出了每秒500万次的大型计算机。特别是1984年，国防科技大学成功地研制出每秒1亿次的“银河”电子计算机，它标志着中国的计算机技术已取得了重大的突破。

2009年10月29日，随着我国第一台国产千万亿次超级计算机在湖南长沙亮相，作为算盘这一古老计算器的发明者，中国拥有了历史上计算速度最快的工具。可以预测，在世界上这场新的技术革命面前，中国的计算机技术定会出现高速发展的新局面。

5.电子计算机的应用

电子计算机的应用已渗透到社会的生产和生活的各个领域，使社会面貌发生了巨大的变化。它的应用大致上有下列几个主要方面。首先是数据处理，又称信息加工，这是现代电子计算机应用中最大最主要的领域，占整个计算机应用比例的70％～80％左右。其次是用于数值计算，它不仅要解答科学研究和工程设计中所提出的各种复杂的数学问题，而且要求出它们的数值解。再者是用于实时控制，也称过程控制，这实际上是生产过程或科学实验过程的自动化。

电子计算机的发展速度确实相当惊人，特别是20世纪70年代以来，无论是机器的性能还是应用都有新的跃进。不过计算机科学仍然是一个年轻的学科，在近期内，电子计算机的主要发展趋势有下列方面。

（1）向小的方向发展，从一般计算机发展为小型计算机，以至微型计算机

小型计算机从1960年以后开始发展起来。1964年美国数字设备公司生产了PDP—8型计算机，它被公认为世界上第一台真正的小型计算机。电子计算机的运算器性能中有一个技术指标，这就是位数，也叫“字长”。字长越长，计算机精度越高。PDP—8型机的字长为12位。1965年出现了字长为16位的标准化小型计算机。1977年美国数字设备公司宣布制成字长为32位的小型计算机，标志着小型计算机已进入新一代。

1971～1972年，美国英特尔公司用4004微处理器制成了第一台商用微型计算机。随着集成电路技术的不断发展，微型计算机的字长从4位、8位增加到16位，直至32位，不少功能已接近小型计算机。体积小，价格低，可靠性高，使用和维护简单，这是微型计算机的特点。

近几年，各种用途的微型计算机纷纷涌现，小小的“芯片”尽展无限魅力、无限功能。其价格逐步下降，升级换代的周期也越来越短。微型机向社会渗透的能力远远超过了通用机和小型机。

（2）向大的方向发展，由一般大型计算机发展为巨型计算机

机器运算器性能的好坏的另一个指标是运算速度。通常都用每秒完成算术运算的平均次数来表示。所谓巨型机，一般每秒运算5000万次以上。比如前面提到的美国的ILLIAC—IV计算机，就是一台具有并行操作功能的阵列式巨型机，它的运算速度为每秒l.5亿次。有关资料介绍，日本电气公司已制造出运算速度为每秒13亿次的巨型机。

目前，世界上正在研制的巨型机中，运算速度一般在每秒10亿次至100亿次之间。加速研究和发展巨型机，既能促进许多科学技术领域发生变革性的进步，也能推动计算机科学技术本身的迅速发展。

（3）组成计算机网络

早期计算机，因其速度不高，存储容量小，人们使用计算机的方式是使用者独占机器，使用效率很低。20世纪50年代又出现了另一种极端的使用方式，专职机器操作员接受用户计算任务，把用户排斥在外。1960年前后，计算机系统实行分时的工作方式，但这仍然受到了地域上的很大限制。

20世纪70年代，计算机网络的建立受到普遍重视，从而使计算机的使用方式有了很大的改变。目前国外大量涌现出各种计算机网络，比如为检索各地的图书情报资料而建立的图书情报网络系统就是其中之一。随着科学技术的飞速发展，为数众多的计算机网络的建立，使得由信息网和教据库组成的信息工业以前所未有的速度发展起来。

（4）研究智能计算机

用计算机模拟人的智能是自动化发展的高级阶段。早在1950年，阿兰·图灵在《计算机能思考吗》一文中说过，他相信在本世纪末，人们可以谈论机器思维而不遭到什么反对。图灵把人工智能定义为：如果机器在某些现实条件下，能够非常好地模仿人回答问题，以致使提问者在当时时间内误认为它不是机器，那么机器就可以被认为是会思维的。

智能模拟的具体内容有：模式识别、数学定理证明、自然语言的理解和智能机器人等等，其中尤其是数学定理的证明已在人工智能的发展中产生了重要影响。20世纪50年代中期，美国开始了利用计算机证明数学定理的尝试。1959年美籍华人王浩用计算机证明了罗素等人所著的《数学原理》这一经典著作中的几百条定理，时间只用了9分钟，这一结果引起国际学术界的重视。

1976年美国科学家阿佩尔、哈肯、科奇在计算机上解决了数学家们100多年来悬而未决的著名定理——四色定理。这个问题解决后，不少人认为这不仅是证明了一道世界数学难题，更为重要的是它说明了计算机在逻辑思维方面可以做些什么工作。中国数学家吴文俊在几何定理机械化证明的研究中也取得了显著成果，引起了国内外学术界的重视。

电子计算机向智能模拟方向发展的产物是机器人。目前广泛应用的是工业机器人，这种机器人在高空、水底以及某些危险作业区工作具有很大的优越性。美国、日本等国都正在集中巨大的力量研究智能机器人。

人工智能计算机的发展必将进一步解放人类的智力，大大地促进人类社会的物质文明和精神文明。