算力简史

TechSugar 2023-11-24 08:00 607浏览 0评论 0点赞

泰克！5折！ 中端示波器性能提升“秘籍”

人类算力的演进过程是一段波澜壮阔的历史，值得我们驻足与回忆。

人工算力时代

人类对算力的利用，从远古时期就已经开始了。

大脑，是我们最原生的算力工具。依靠大脑所提供的算力，我们才得以生存。

动物也有大脑，也有算力，但是远远不如人类强劲。在漫长的进化过程中，人类的大脑越来越发达，最终帮助自己从万物生灵中脱颖而出，成为了地球的主宰。

在人类早期阶段，主要的计算内容是如何狩猎，如何防范袭击，如何繁衍后代。后来，有了基本的生存保障，人类就开始将更多的算力用于改善生存质量，例如搭建房屋、交易物品、制造工具等。

计算是对信息进行处理的过程。所以，如何表达和记录信息，是实施计算的第一步。

在原始社会，为了更好地描述自己观察到的信息（所见、所闻、所想），也为了更方便地进行信息沟通，人类开始尝试绘画。在绘画的基础上，又发明了文字。

原始人的壁画

早期象形文字

文字，其实就是用表意符号对信息进行“编码”。它是物理世界和精神世界的一种映射和表达。有了文字，信息的记录和传递效率大幅提升，人类社会有了更强的联结力，也有了历史和文明的传承。

文字里面，还有一种很特殊的符号，那就是数字。

所有的人类早期先进文明，都有自己的文字，也有自己的数字。基于数字，他们还建立了数字系统，例如巴比伦文明的六十进制，玛雅文明的二十进制或十八进制，中国和古埃及的十进制。

数字出现后，人们将计数和算数的过程，称为计算。这是计算一词的来源。

古希腊在数字和计算上比较领先，很早就创立了算术、几何、代数等独立学科。著名思想家、哲学家、数学家毕达哥拉斯（Pythagoras）发现并证明了勾股定理，是那一时期人类计算水平的标志。

毕达哥拉斯

后来，毕达哥拉斯学派主张用数来解释一切，认为不仅万物都包含数，而且“万物皆是数”。

事实证明，这种思想极具前瞻性。如今，我们确实实现了“万物皆比特”。

不跑题，我们继续往下说。

随着时间的推移，人类社会不断进步，计算需求也变得越来越复杂。仅仅依靠大脑这个“原生”算力工具，不太够用。即便是用上手指、脚趾，也不行。于是，人类开始借助外部算力工具。

最早期的外部算力工具，是草绳、石头，也就是所谓的“结绳记事”。

中国关于结绳记事的记载出自《易经》中的《系辞下》:“上古结绳而治,后世圣人易之以书契。”我们现在常见的中国结，也源于“结绳记事”。

结绳记事

再后来，文明继续发展，我们有了算筹（一种用于计算的小棍子）。

在中国，算筹诞生于春秋战国时期。我们经常用到的成语，例如运筹帷幄、一筹莫展、技高一筹等，都是和算筹有关。

公元480年，祖冲之把圆周率精确计算到小数点后第七位（3.1415926），采用的工具就是算筹。他的这一记录，保持了900多年。

祖冲之

除了算筹之外，我们还有一个更知名的算力工具，那就是算盘。

算盘的具体诞生时间已经无从考证。有人说是秦朝，也有人说是东汉。东汉时期徐岳的著作《数术记遗》中，最早出现了“珠算”这个字眼。

算盘的历史价值无需多言。直到现在，我们还能看到它的身影。

算盘

公元3世纪，笈多王朝的古印度人发明了从0到9的一套数字体系。阿拉伯帝国崛起后，阿拉伯人将这套数字体系带到了欧洲，结果就被误以为是阿拉伯人发明的，所以叫阿拉伯数字。

同样被带到欧洲的，还有我们中国四大发明之一的造纸术。

前面提到，图画和文字是人类表达信息的方式。这些信息，肯定是需要载体的。

早期的载体，是龟甲、兽骨、兽皮、竹简、木牍、缣帛。这些载体要么稀少，要么昂贵，要么无法长期保存。

西汉时期，造纸术在中国出现，但工艺简陋，质量不佳。后来，东汉元兴元年（105年），宦官蔡伦总结前人经验，对造纸工艺进行改进，显著提升了纸的质量，也为纸的普及奠定了基础。

有了纸，信息的记录和传递更加高效，生产效率大大提升，文化交流也更加频繁。

蔡伦

阿拉伯数字和造纸术传入欧洲，前者取代了冗长的罗马数字，后者取代了昂贵的羊皮和小牛皮。再加上后来，中国的印刷术又传了过去。

这一切，为欧洲文艺复兴和科技萌芽铺平了道路。

机械算力时代

公元14世纪，欧洲文艺复兴正式开启。人文主义的思潮逐渐占据主流，人们开始倡导通过观察和实验来认识世界。

到了16世纪，欧洲的科技就开始爆发了。那一时期，整个欧洲群星璀璨，艺术和科学领域硕果累累，生产力水平直线上升。

数学作为所有科学学科的基础，这一阶段取得的研究进展是最大的。

解析几何学、微积分等都诞生了。一大堆的天才数学家，输出了海量的数学研究成果，不仅为其它学科的腾飞奠定了基础，还直接促成了后来的工业革命。

当时，为了更好地服务于数学计算，就有学者发明了新型的算力工具。

例如1625年，英国数学家威廉·奥特雷德（William Oughtred）发明了计算尺。1642年，法国数学家布莱兹·帕斯卡（Blaise Pascal）发明了人类最早的机械计算机。

这些发明，可以辅助完成对数计算、三角函数计算、开根计算等复杂任务，提升计算效率。

17世纪末到18世纪中，德国数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）等人，先后设计和制造了能够计算乘法的设备，将算力工具提升到更高的层级。

莱布尼茨

18世纪60年代，第一次工业革命爆发，将人类带入蒸汽时代。动力机械崛起，开始取代手工劳动，成为主要生产力。

机械技术的演进，同样带动了机械化算力工具的演进。

当时，困扰算力工具发展的主要问题，是如何进行机器能“看懂”的信息记录和表达。机器是不识字的，想要让机器按命令工作，必须先发明能让机器看得懂的“语言”。

1725年，这种语言出现了。

这一年，法国人巴斯勒·布乔（Basile Bouchon）发明了一种和机器进行“对话”的表达形式——打孔卡（穿孔卡）。

打孔卡用于织布机。织布机在编织过程中，编织针会往复滑动。根据打孔卡上的小孔，编织针可以勾起经线（没有孔，就不勾），从而绘制图案。

换言之，打孔卡是存储了“图案程序”的存储器，对织布机进行控制。

打孔卡的发明，标志着人类机械化信息存储形式的开端。

1801年，法国织机工匠约瑟夫·马里尔·雅卡尔（Joseph Marie Jdakacquard）对打孔卡进行了升级。他将打孔卡按一定顺序捆绑，变成了带状，创造了穿孔纸带（Punched Tape）的雏形。这种纸带，被应用于提花织机。

大家应该能看出来，打孔其实就是一种信息编码方式。它比文字和数字更加简单，让人与机器可以进行“沟通”。

1811年，20岁的英国发明家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）从提花织机中获得灵感，开始设计制造一台名叫“差分机”的设备。

这台“差分机”在1821年制造完成，历时十年，可以进行多种函数运算，运算精度达到了6位小数。

查尔斯·巴贝奇

在这个成就的鼓舞下，巴贝奇又启动了第二台“差分机”的研究，精度将达到20位。可惜的是，因为这个机器的设计太过超前（有25,000多个零件，主要零件的误差不得超过每英寸千分之一），以当时的机械制造水平，很难达到精度要求。

所以，在历经二十年，耗费了巨额资金之后，这个“差分机二号”的制造工作宣告失败。

后人复刻的差分机二号，验证了可以正常工作

在制造“差分机二号”过程中，1834年，巴贝奇还提出了一个更大胆的想法——设计一个以蒸汽为动力的通用数学计算机，能够自动解算有100个变量的复杂算题，每个数可达25位，速度可达每秒钟运算一次。

这种新的设计，巴贝奇称之为“分析机”。

“分析机”和第二台差分机一样，最终未能制造成功。但“分析机”中包含的很多设计，例如输入和输出数据的机构，以及“存储库”和“运算室”，和一百多年后的计算机如出一辙。

因此，“分析机”被后人称为世界上第一台计算机。而巴贝奇，则被誉为计算机鼻祖。

值得一提的是，与巴贝奇进行技术合作的，有一位小姐姐，名字叫阿达·奥古斯塔（Ada Augusta）。

她是诗人拜伦的独生女。当时，她负责为“分析机”编程。她也因此被称为世界上第一个“程序员”。

阿达·奥古斯塔

1878年，瑞典发明家奥涅尔在俄国发明了一种齿数可变的齿轮计算机，也算是机械计算机的代表之一。

到了1885年，已经有越来越多的机械计算机诞生，掀起了一种技术风潮。

1890年，一个牛人的出现，让打卡孔技术进一步发扬光大。这个人，就是德裔美国人——赫尔曼·何乐礼（Herman Hollerith）。

他在打孔卡的基础上，发明了打孔卡制表机，专门用于收集并统计人口普查数据。

根据史料记载，在1890年的美国人口普查中，通过打孔制片和打孔机，仅6周就完成了统计工作，得出了准确的数据（62622250人）。而此前1880年的美国人口普查，数据全靠手工处理，历时7年才得出最终结果。

如此巨大的效率提升，使得制表机在各个行业迅速普及。半自动化数据处理时代，正式开始了。

赫尔曼·何乐礼

打孔卡制表机

后来，1896年，赫尔曼·何乐礼创办了制表机器公司（Tabulating Machine Company）。这家公司，就是IBM公司的前身。

18-19世纪，机械计算的发展速度很快。一方面，是因为工业革命推动下的技术升级，为机械算力的精细化打下基础。另一方面，人类科技飞速进步，又需要先进算力工具进行辅助。

那一时期，算力高速发展，还有一个重要的背景。那就是人们对信息价值的认知，开始发生变化。

在古代，人们并没有什么“信息（information）”的概念，更多用到的词，是“消息（message）”，或者说“讯息”。

消息是一个具体的传达内容，比较简短、明确。飞鸽传书、烽火驿站，传递的都是消息。

而信息，则是一个更宏观和抽象的概念，范围更大，体量也更大。它是对物理世界的一种描述。

在古代，信息的传递手段落后，加上我们生活生存也用不到那么多信息，所以，没有对信息的认知，也没有意识到它的价值。

文艺复兴和工业革命开始之后，时代迅速发生变化。

生产要素变了，新的商业模式出现了，欧美国家率先开始发现：信息是有价值的。

银行、股市和现代市场的出现，加速了信息价值的提升。人们发现：谁先获得信息，谁就能赚大钱。

于是，人们对“信息”这个词的理解，开始变得深刻。

从某种程度上来说，信息价值提升，刺激了人们对信息产生和传输手段的需求，加速了相关科技的发展。这为后面信息时代的到来奠定了基础。

电子算力时代

第一次和第二次工业革命，分别是蒸汽革命和电气革命，属于能源和动力方面的变革。

除了将电用于能源之外，19世纪的科学家，还开始探索电对信息存储和传递的作用。1837年，电报的发明，就是一个重要的标志。

电报是将信息通过电脉冲的方式进行传递。在传递之前，还是要解决信息编码问题。

电报发明人塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse）在发明电报之前，先发明了摩斯码。摩斯码就是将字符转换成点dot（.）、划dash（-）两种符号的一种编码方式。电脉冲可以很好地传递这种编码。

后来，人类对电技术的驾驭能力越来越成熟，我们又有了电话。基于电磁理论的发展，我们还有无线电报和广播。所有这些，都为计算技术（信息技术）从机械化走向电子化作出了铺垫。

1937-1946：电子计算机的诞生

机械时代的计算机，可以通过齿轮或者带刻度的圆柱，进行数字的标记。到了电子时代，这样做就不太合适了。电的特点是有（通电）和无（不通电），它比较适合的，显然是二进制。

17世纪后半叶，德国数学家莱布尼茨（是的，又是他。他也是微积分的发明人）率先提出了二进制。他形象地用1表示上帝，用0表示虚无，上帝从虚无中创造出所有的实物。

19世纪中叶，英国数理逻辑学家乔治·布尔（George Boole）提出了逻辑代数（后来被人们称为“布尔代数”）。

他通过二进制，将算数和简单的逻辑统一起来，通过使用与、或、非等逻辑运算符，以及基于真和假的二值逻辑，为我们提供了一种理解和操纵逻辑关系的工具。

乔治·布尔

布尔代数为计算机的二进制、开关逻辑电路的设计铺平了道路，并最终为现代计算机的发明奠定了数学基础。

除了逻辑基础之外，硬件当然也要跟上。

1904年，英国人约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了真空电子二极管，可以实现单向导电，检波、整流。1906年，美国人德·福雷斯特（Lee De Forest）在二极管的基础上加以改进，发明了真空三级电子管，可以实现信号放大。

真空管的出现，推动人类电子技术向前迈了一大步，初步补足了硬件短板。

德·福雷斯特

那一时期，信息存储技术也有了很大进步。

1898年，丹麦工程师瓦蒂玛·保尔森（Valdemar Poulsen）在自己的电报机中首次采用了磁线技术，使之成为人类第一个实用的磁声记录和再现设备。1928年，德国工程师弗里茨·普弗勒默（Fritz Pfleumer）发明了录音磁带。1932年，奥地利工程师古斯塔夫·陶谢克（Gustav Tauschek）发明了磁鼓存储器。

磁性存储时代，正式开始了。

磁鼓存储器

1937年，英国剑桥大学的阿兰·图灵（Alan M. Turing）提出了被后人称之为“图灵机”的数学模型。这为现代计算机的逻辑工作方式指引了方向。

阿兰·图灵

同样是1937年，贝尔试验室的乔治·斯蒂比兹（George Stibitz）展示了用继电器表示二进制的装置。尽管仅仅是个展示品，但却是第一台二进制电子计算机。

二战爆发后，军事需求大大刺激了算力的发展。军方需要更加强劲的算力，完成密码加密解密、火炮弹道计算甚至火箭发射等重要任务。

1941年12月，德国人康拉德·楚泽（Konrad Zuse）制作完成了世界上第一台可编程电子计算机——Z3。

这台计算机用于空气动力学计算，使用了大量的继电器和真空管，每秒钟能做3到4次加法运算，一次乘法需要3到5秒。（遗憾的是，Z3后来毁于柏林轰炸。）

康拉德·楚泽和Z3（复刻版）

1942年，美国爱荷华州立大学物理系副教授阿塔纳索夫（John V.Atanasoff）和他的学生克利福德·贝瑞（Clifford Berry）设计制造了世界上第一台电子计算机，名为"ABC"（Atanasoff-Berry Computer），也被称为“珍妮机”。

ABC计算机

ABC使用了IBM的80列穿孔卡作为输入和输出，使用真空管处理二进制格式的数据。数据的存储，则是使用的再生电容磁鼓存储器（Regenerative Capacitor Memory）。

虽然ABC无法进行编程（仅用于求解线性方程组），但使用二进制数字来表示数据、使用电子元件进行计算（而非机械开关）、计算和内存分离等特点，都足以证明它是一台现代意义上的数字电子计算机。

1944年，在IBM公司的支持下，哈佛大学博士霍华德·艾肯 (Howard Aiken) 成功研制了通用电子计算机——Mark I，也称ASCC（Automatic Sequence Controlled Calculator，自动控制序列计算器）。

霍华德·艾肯与MARK I

Mark I长16米，重4.3吨，拥有75万个零部件，使用了800公里长的电线，300万个连接、3500个多极继电器、2225个计数器。

它可以在一秒钟内进行3次加法或减法。乘法需要6秒，除法需要15.3秒，对数或三角函数需要超过1分钟。当时，它被用来为美国海军计算弹道火力表。

值得一提的是，第一个在Mark I上运行的程序是由冯·诺依曼（John von Neumann）于1944年3月29日牵头开发的。当时，冯·诺依曼正在研究曼哈顿计划，需要确定内爆是否是原子弹的可行选择。

冯·诺依曼

还需要提一句，Mark I的研究团队中，有一位名叫格蕾丝·霍珀（Grace Hopper）的海军预备役女军官。“bug（现在经常指代程序漏洞）”这个词，就是她引入的。

1945年，Mark II在运行过程中，飞进了一只飞蛾，导致出现故障。霍珀消灭了飞蛾，解决了问题，成为第一个“调试（debug）”计算机的人。

这只飞蛾还被贴在Mark II的日志上

终于，到了1946年2月14日，大名鼎鼎的ENIAC（埃尼阿克）诞生了。

ENIAC是一个真正的“庞然大物”。它占地170平方米，重达30吨，功率超过150千瓦。

之所以体积和功耗这么大，是因为它采用了17468根真空管。这些真空管，使其可以每秒完成5000次加法或400次乘法，约为手工计算的20万倍。

ENIAC在人类计算机发展史上拥有重要地位，也有极高的知名度。至少我们的《计算机基础理论》课本上，肯定有它的名字。

这里需要澄清一下，虽然人们一贯将ENIAC称为世界上第一台数字式电子计算机，但这个说法其实是有争议的。

前面提到的ABC，就是这个称谓的有力争夺者。ENIAC甚至称不上第二。那一时期问世的数字电子计算机很多，严格来说，ENIAC只能排第11。

国外主流观点认为，ENIAC的设计者盗窃了ABC的设计。1973年，美国法院也裁定，取消了ENIAC的专利，认定ENIAC专利是ABC的衍生品。

关于谁是第一，我们就不多讨论了。反正，1945年左右，电子计算机诞生的浪潮，标志着人类算力正式进入了数字电子计算机时代。波澜壮阔的信息技术革命，正式开启。以计算机为中心的信息技术产业，也正式起步。

从这一刻起，人类的算力，进入了全新的阶段。

1946-1949：信息革命的奠基

1945年至1948年，除了ENIAC诞生外，科技领域还发生了好几件大事。

第一件大事：冯·诺依曼架构的提出

冯·诺依曼（John Von Neumann）是美籍匈牙利人，1903年出生，1930年移民美国，成为普林斯顿大学的教授。

冯·诺依曼

1944年，冯·诺依曼开始参与原子弹的研制。因为研制过程需要进行大量的计算，他就开始关注计算机相关的研究进展。经人引荐，他作为顾问，参与到了ENIAC的研究中。

基于ENIAC的研究，冯·诺依曼等人在1945年又提出了一个新的方案——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量计算机）。

在冯·诺依曼撰写的总结报告《关于EDVAC的报告草案》中，他详细阐述了一种制造电子计算机和进行程序设计的新思路，并设计了由运算器、逻辑控制、存储器、输入和输出设备组成的新型架构。

是的没错，这就是著名的冯·诺依曼架构。

冯·诺依曼架构

直到现在，冯·诺依曼架构仍然是我们计算机的主流架构。基于这个贡献，冯·诺依曼也被世人誉为“现代计算机之父”。（他在数学和经济学领域的贡献也很卓著，被称为“博弈论之父”。）

第二件大事：信息论的提出

1948年，贝尔实验室的克劳德·香农（Claude Elwood Shannon）出版了《通信的数学理论》。这本书被看作是信息论的奠基之作。

香农

香农给出了通信系统的基本模型，提出了信息熵的概念以及数学表达式。

他指出，信息是可以被量化的，用数字编码可以代表任何类型的信息。香农还推出了比特（bit）的概念，将其称为“用于测量信息的单位”。

香农提出的香农公式，更是指导了整个通信行业发展，直到现在也没有被突破。

简单来说，香农的信息论，为信息技术奠定了真正的理论基础。他是当之无愧的现代信息通信技术“祖师爷”。

第三件大事：晶体管的发明

这个就不用多说了吧。

1947年，同样是来自贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain），共同发明了世界上第一个晶体管。

晶体管的问世，为电路的小型化打下了基础，也为集成电路以及芯片的出现创造了前提。它开辟了电子时代的全新纪元。

上面说的三件大事，是信息技术革命爆发的前提条件，对人类社会的进步造成了极其深远的影响。

1950-1967：集成电路时代

1951年，发明了ENIAC的约翰·埃克特（J. Presper Eckert）和约翰·莫奇利（John Mauchly）再度合作，研制了世界上第一台商用计算机系统——UNIVAC-1。

UNIVAC

这套系统被美国人口普查部门用于人口普查，它还成功预测了1952年底的美国总统大选，一夜之间名声大噪。

1952年，冯·诺依曼领导设计的EDVAC终于制造完成，开始运行。

冯·诺依曼和EDVAC

相比ENIAC，EDVAC拥有独立的存储，是第一台使用磁带的计算机。当时，磁存储已初露锋芒，成为信息载体的新选择。

晶体管的应用

再后来，晶体管技术开始逐渐成熟，进入市场。相比真空管（电子管），晶体管的体积更小，功耗更低，使得电子设备变得更加小巧、省电。

1954年，世界上第一台晶体管计算机TRADIC，在美国空军投入使用（贝尔实验室研制）。其运行功耗不超过100W，体积不超1立方米，相比当年的ENIAC有天壤之别。

TRADIC

1958年，美国的RCA公司造出了世界上第一台全部使用晶体管的计算机——RCA501。

不久后，1959年，IBM公司不甘落后，也生产出全部晶体管化的计算机——IBM 7090。

基于IBM 7090，美洲航空公司和IBM共同研发了世界上第一款订票系统——Sabre。Sabre迅速普及，带动了IBM计算机的市场份额激增，也给其它行业展示了计算机的巨大潜力。

RCA501

IBM 7090

集成电路的诞生

说到这里，我们要回过头，讲讲发明了晶体管的威廉·肖克利。

威廉·肖克利

肖克利所带领的团队虽然合作发明了晶体管，但内部关系并不好。主要原因，是因为肖克利这个人为人刻薄，很难相处。晶体管发明后，没多久，团队成员纷纷离开了他。

1954年，肖克利在贝尔实验室也待不下去了，就跑去教书。再后来，1956年，他来到美国西部加利福尼亚州的山景城，在一个名叫Palo Alto的小城市（后来是硅谷的一部分），成立了“肖克利半导体实验室”。

实验室吸引了很多优秀年轻人的加入。其中就包括罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）和戈登·摩尔（Gordon Moore）等8人。

后来，肖克利的事业再次因个人原因走入困境。于是，1957年9月18日，上面提到的8个年轻人，一起向肖克利提交辞呈。肖克利大发雷霆，痛斥这帮“忘恩负义”的年轻人，骂他们是“八叛徒”（traitorous eight）。

“八叛徒”出走后，共同成立了仙童半导体（Fairchild Semiconductor）。

仙童半导体在科技史上拥有举足轻重的地位。它是世界半导体产业的摇篮，也被誉为芯片界的黄埔军校。

1959年，德州仪器的杰克·基尔比（Jack St. Clair Kilby）和仙童半导体的罗伯特·诺伊斯，先后发明了基于锗基底扩散工艺和硅基底平面工艺的集成电路，打开了集成电路时代的大门。

基尔比发明的集成电路

1959年之后的计算机，大量采用了晶体管和集成电路。计算机的算力不断增强，体积和功耗反而不断减小。

软件产业的萌芽

计算机硬件技术准备腾飞的同时，计算机软件也开始萌芽了。

包括ENIAC在内的早期计算机，没有操作系统的概念，都是操作员进行手工操作。

正在操作ENIAC的女程序员

后来，进入1950年代，为了提升操作效率，开发了批处理系统。

到了1960年代，处理器的速度越来越快，需要执行的任务越来越多。于是，“多道程序系统”出现了。“多道程序系统”采用了通道和中断技术，允许系统执行“挂起”操作。计算机从串行变成了并行，可以同时运行多个任务，提升了效率。

“多道程序系统”基本上已经接近于真正的操作系统了。

除了操作系统之外，计算机语言也有了突破。

1957年，IBM公司成功开发了FORTRAN高级语言。它是世界上第一个被正式采用并流传至今的高级编程语言。

所谓高级语言，就是一种接近于人们使用习惯的程序设计语言。它容易学习，通用性强，写出的程序比较短，便于推广和交流。

1960年4月，COBOL语言正式发布。1964年，BASIC语言发布。高级语言的不断涌现，为后面的软件产业爆发奠定了基础。

IBM System/360

1960年代，IBM是世界计算机行业毫无疑问的“领头羊”。在计算机市场，他们占据绝对的市场领先地位（在北美市场，市占率超过三分之二）。

1961年12月，IBM公司启动了一项人类史上规模最大的商用产品开发计划。这项计划耗资50亿美元（约今日的460亿美元）、雇用6万多名新员工、新建5座工厂。

1964年4月7日，计划成果初现，IBM公司正式发布了六种规格的System/360商用大型主机。

IBM System/360

360，是360度角的意思，表示全方位的服务。它是世界上首个指令集可兼容计算机。单个操作系统可以适用整个系列，而不需要像之前的计算机一样，每种主机量身定做操作系统。

这时，人们才明白，原来电脑主体硬件升级之后，操作系统、应用软件还有外围硬件，都是可以继续使用的。“兼容”的概念，开始形成了。

IBM System/360是IBM史上最成功的机型，虽然研发投入巨大，但回报同样可观——每台主机的价格在250万到300万美元之间（约合现在的2000万美元），每月售出超过千台。

蓝色巨人年销售额的一半，都来自于这个系列。美国太空总署的阿波罗登月计划，全美的银行跨行交易系统，以及航空业界最大的在线票务系统等，都使用了IBM System/360。

值得一提的是，虽然IBM霸占了大型机市场，但60年代初，很多IT公司创立，他们转向了IBM不太在乎的小型化计算机市场，并取得了不错的成果。

例如，DEC公司（1957年成立）以及他们发布的PDP-8、PDP-11、VAX-11系列主机。这些主机体积小、功耗低、运算速度也不算差（每秒几十万次基本运算），获得了很多用户的欢迎。

PDP-8

1967-1979：大规模集成电路时代

摩尔定律

时代的车轮继续滚滚向前。

1965年，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登·摩尔，应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：《让集成电路填满更多的元件》。

开始绘制数据图表时，摩尔发现了一个惊人的趋势：在前一个芯片产生后的18-24个月内，会诞生一个新芯片。而这个新芯片的性能（集成电路数量），大约是前一代的两倍。也就是说，芯片的能力，以固定时间（18-24个月）为周期，在翻倍提升。

摩尔的这个伟大发现，就是著名的摩尔定律。

这一定律目前已经持续了半个多世纪，准确预测了半导体行业的发展趋势，成为指导计算机处理器制造的黄金准则，也是科技行业奉为圭臬的铁律。

微处理器

1967年，大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）出现，真正的芯片时代到来了。

1968年7月，罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童半导体公司辞职，创立了英特尔（Intel）公司。

最开始，英特尔是做半导体存储器产品的。后来，因为竞争激烈，他们转向处理器方向。

1971年，英特尔开发出了世界上第一个商用处理器——Intel 4004。这款处理器片内集成了2250个晶体管，能够处理4bit的数据，每秒运算6万次，工作频率为108KHz。

Intel 4004

Intel 4004的出现，标志着微处理器时代的开始。1974 年，英特尔又推出了面向个人电脑开发的微处理器——Intel 8080，其性能是4004的20倍。

Intel 8080

MITS公司于1974年推出的经典微型电脑Altair 8800，就是基于8080处理器。

Altair 8800

Altair 8800在1975年1月的《大众电子学》杂志社上发布后，引起了计算机爱好者的广泛关注。其中，就包括一个哈佛大学的楞青少年，以及他的伙伴。他俩后来一起为Altair 8800设计了Altair BASIC，并创办了一家名叫Microsoft（微型软件）的公司。

没错，这个楞青的名字叫做比尔·盖茨，他的伙伴叫保罗·艾伦。

个人电脑

Altair 8800经常被称为第一台个人电脑（PC），但实际上，这个称谓是存在争议的。

1971年，美国的Kenbak公司发布了Kenbak-1计算机。这台计算机，被计算机历史博物馆认为是世界上第一台个人计算机。

Kenbak-1由中小型集成电路组成，没有使用微处理器。该系统最初售价为750美元，仅制造和销售了大约40台。1973年，Kenbak公司倒闭，Kenbak-1停产。

1973 年，法国R2E公司生产了第一台基于微处理器的商用计算机——Micral。Micral的说明书里，首次提到了“微机（Micro-computer）”。

Micral

另一个“第一台个人电脑”的有力争夺者，是来自著名的施乐公司帕洛阿图研究中心（Xerox PARC）的Alto。

1973年，他们推出了Alto（“奥托”）。它是第一台使用鼠标和图形用户界面 (GUI) 的计算机，和我们现在使用的计算机已经很像了。它的很多设计，对乔布斯的苹果，以及比尔盖茨的微软，产生了深远的影响。

1975年，王安公司（WANG）推出了世界上第一台具有编辑、检索功能的文字处理机，初具台式电脑的雏形。这台电脑的屏幕能直接显示文字，键盘可以快速修改文稿。

1977年，有三台个人电脑经典机型推出，分别是Commodore公司的Commodore PET、苹果公司的APPLE II、Tandy Radio Shack的TRS-80 Model II。

个人电脑的大量涌现，意义极为重大。它标志着计算机产业的商业模式开始发生变化，算力不再仅为少数大型企业服务（大型机），而是开始昂首走向了普通家庭和中小企业。

技术蓄力

个人电脑想要真正发展起来，仅靠处理器是没用的，还需要存储、网络以及软件技术的配合。

1973年，IBM又发明了Winchester（温彻斯特）硬盘3340。这块磁盘使用了密封组件、润滑主轴和小质量磁头。工作时，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触。

Winchester 3340

Winchester 3340是现代硬盘的原型。换句话说，你现在用的电脑磁盘（HDD），架构上和1973年没有太大区别。

网络方面，1970年，Internet的雏形ARPAnet基本完成。

1973年5月22日，施乐公司PARC研究中心的罗伯特·梅特卡夫（Robert M. Metcalfe）正式提出了“以太网”的设想，并于11月份设计实现。

梅特卡夫

1978年，在温顿·瑟夫（Vinton G. Cerf）、罗伯特.卡恩（Robert E. Kahn）等人的努力下，TCP/IP网络协议也诞生了。

在软件产业方面，1970年代的成果同样令人应接不暇。

1973年，贝尔实验室的肯·汤普森（Ken Thomson）和丹尼斯.里奇（Dennis Ritchie）正式发表论文，宣告了UNIX操作系统的存在，引起全行业轰动，被视为现代操作系统诞生的标志。

正在操作DEC PDP-11计算机的肯·汤普森（坐者）和丹尼斯·里奇（站者）

1970年和1972年，Forth编程语言和C语言先后开发完成。

1970年，IBM公司的研究员埃德加·弗兰克·科德（Edgar Frank Codd），通过一篇名为《大型共享数据库数据的关系模型》的论文，开启了关系数据库时代。

关系数据库的出现，为后来数据库应用高速发展奠定了基础。

埃德加·弗兰克·科德

1974年，IBM公司圣何塞实验室发起了IBM System R项目，首次实现了结构化查询语言（SQL）。

1977年，后来被称为IT狂人的拉里·埃里森（Larry Ellison）与合作人共同投资了2000美元，成立了SDL公司（后来的Oracle公司）。1979年，他们推出了Oracle数据库，开启了商业数据库的全新时代。

Oracle的联合创始人

1970年代是非常伟大的，IT产业的真正起步，正是始于这个时期。处理器、存储、网络、操作系统、数据库……全都在飞速发展。

这些从0到1的突破，最终将在1980年代掀起令人惊心动魄的IT狂潮。算力技术的真正转折，即将到来。

1980-1990：PC时代

IBM-PC和“兼容机”

70年代微处理器的诞生，使得个人电脑开始大量出现。

这种情况，让传统巨头IBM感受到了威胁。一直以来，他们都专注于大型机，导致忽视了小型机的市场。

为了亡羊补牢，他们也决定启动自己的个人电脑研发计划。

1980年3月，IBM召开一次高层秘密会议，设立“Chess（国际象棋）”项目，专门研发个人电脑（Personal Computer这个词，就是这时被IBM提出来的）。

负责这个项目的，是唐·埃斯特利奇（Don Estridge）。他带领了一个13人小组，蹲在弗罗里达州博卡拉顿镇的一间仓库里，进行秘密研发工作。

唐·埃斯特利奇

最开始的时候，他们打算采用自己的处理器（IBM 801）和操作系统。但考虑到时间紧迫（领导要求1年内搞定），他们还是决定与第三方合作。

1981年8月12日，他们的工作有了成果，IBM公司正式推出了IBM-PC（IBM5150），搭载的是英特尔的8088处理器（16位，4.77MHz），以及微软的PC-DOS操作系统。

IBM-PC

IBM-PC售价为1565美元，拥有16K内存（可以根据需要扩展到256K），带有5.25英寸软盘。它为扩充能力设计了总线插卡，可以让用户加装显卡，并自行选择黑白或彩色显示器。

IBM-PC推出后，很快获得了巨大的成功，第一年销售就超过20万台，1985年更是超过100万台。

它不仅被评为《时代》周刊封面的“年度人物”，还荣膺了“二十世纪最伟大产品”的称号。（可惜的是，作为IBM-PC的缔造者，唐·埃斯特利奇在1985年死于空难。）

IBM-PC的成功，吸引了很多厂商对它进行“仿制”。他们参考IBM-PC的标准，打造可以“兼容”使用IBM-PC配套软件、扩展卡和外设的产品，称为“兼容机”（电脑DIY的鼻祖）。

1982年6月，哥伦比亚数据产品公司（Columbia Data Products）推出了第一台IBM PC兼容机——MPC 1600。11月，康柏（Compaq）紧随其后，推出了与IBM PC兼容的便携式电脑——Portable（1983年3月出产）。

Compaq Portable

“兼容机”配置灵活，价格便宜，很快抢走了IBM-PC的市场份额。1983年，IBM占据PC市场份额的大约76%。到了1986年，就跌成了26%。这让IBM郁闷不已。

英特尔与微软

PC兼容机的全面崛起，真正受益者是英特尔和微软。

IBM-PC使用的8088，是英特尔在1979年推出的。

1982年2月，英特尔搞出了和8088完全兼容的第二代PC处理器80286，用在IBM PC/AT上。

8088/80286芯片，都是16位处理器，当时在技术上并不算领先。1979年，摩托罗拉就已经率先推出了32位的处理器——MC68000，领先英特尔至少半代。

MC68000

苹果公司的Apple Lisa与Macintosh（麦金塔，1984年1月发布，是首个采用了图形界面操作系统的个人电脑），用的就是MC68000。

直到1985年7月，英特尔公司终于推出了自己姗姗来迟的32位处理器——80386。

这款处理器迎合了兼容机的需求，获得了巨大的成功。

值得一提的是，IBM公司早期比较强势，他们研发IBM-PC的时候，选择了英特尔的芯片，就强制要求英特尔将设计和代码开放给AMD公司，让AMD成为第二供应商。

后来，兼容机越来越多，都采用了英特尔的芯片，变成了英特尔掌握话语权。于是，从80386开始，英特尔就不再开放任何资料给AMD。

1987年，AMD以违约为由，一纸诉讼将英特尔告上了法庭，英特尔随即反诉。两者的垄断和侵权官司，陆陆续续打了8年。

虽然最后AMD打赢了官司，但错过了CPU发展的黄金时期，也被英特尔甩开了差距。

80年代中期，日本半导体的崛起，也给英特尔等美国公司带来了极大威胁。

后来，传奇CEO安迪·格鲁夫（Andy Grove）掌舵英特尔，砍掉了存储半导体业务，聚焦微处理器业务，才把英特尔给救了回来。

安迪·格鲁夫

1989年，英特尔推出了80486处理器，获得了市场的欢迎。

凭借80486的出色表现，英特尔的业绩超过了所有的日本半导体公司，成为世界第一的半导体生产商。

再来看看微软。

IBM-PC火了以后，微软的DOS就跟着出名了。然后，微软就不断更新，出了很多新版本。

苹果的Macintosh推出图形界面操作系统后，给了比尔盖茨很大震撼。于是，就进行了“参考”，于1985年11月推出了Windows 1.0。

早期的Windows只是DOS的“外壳”，中看不中用，所以备受用户吐槽。于是，微软就开始了全新内核的开发，也就是后来的Windows NT。

微软其实还和IBM一起搞了一个OS/2操作系统，结果后来摆了IBM一道，放弃了。

80年代，因为PC兼容机的普及，造就了一个巨大的IT市场。很多新公司成立，也有很多新产品推出。

例如，1982年9月，3Com公司推出了世界上第一款网卡。1984年，英国AdlibAudio公司推出了第一款声卡——魔奇声卡。1985年，Philips和Sony合作推出CD-ROM驱动器。……

这些硬件扩展产品，让PC变得更加强大，也给用户带来了更好的体验。

进入90年代后，英特尔和微软已经成为真正的巨头，市值均超过千亿美元。

1993年，英特尔公司推出划时代的奔腾（Pentium）处理器。

“奔腾一代”Pen就是５，tium是元素的结尾

奔腾一代其实就是586。格鲁夫认为，公司应给这一新款CPU注册新商标，以保护公司对它的垄断。所以，586就改名成了“奔腾（Pentium）”。

但是，在工业界和学术界，大家仍然习惯性地把英特尔的处理器称为x86系列。

1993年，微软发布了Windows NT。1995年和1998年，又先后发布了Windows 95和Windows 98。这些操作系统，奠定了微软在PC操作系统上的霸主地位。

英特尔的处理器和微软的Windows操作系统，在那时是所有PC的标配。他们组成的Wintel联盟，牢牢掌握着PC市场的主动权。

服务器

PC是用户终端侧的算力。我们不要忘了，除了PC之外，我们还有工作站（性能比PC更强的一种微型计算机）和服务器。

尤其是服务器，作为集中化的算力，在80-90年代，技术架构和市场格局也有很大的变化。

微处理器出现之后，催生了PC这样的小型化电脑。传统大型机开始逐渐衰退，超两个方向演变：

第一个方向，是直接变成超级计算机，专门进行科学和军事领域的高精尖计算。另一个方向，是变成小一点的服务器，专门为政府和企业提供服务。

服务器的形态也有多种，包括塔式、机架式、机柜式等。后来，到了21世纪，还出现了刀片式。

服务器的性能和稳定性比PC更强，功耗和体积比PC大，可以运行更复杂和更重要的任务，同时为更多的用户提供算力服务。

20世纪80-90年代，在服务器处理器方面，行业竞争异常激烈。当时，主要分为两个阵营。

一个，是以SUN、SGI、IBM、DEC、HP、摩托罗拉等厂商为代表的RISC-CPU阵营。他们主张采用RISC-CPU架构（RISC，简单指令计算机）。

另一个，是以英特尔和AMD为代表的CISC-CPU阵营。他们主张采用CISC-CPU架构（CISC，复杂指令计算机）。

虽然RISC速度更快，当时更被行业看好，但安迪·格鲁夫领导下的英特尔，依然坚持以CISC-CPU作为自己的主要方向。

最终，英特尔凭借巨大的研发投入，还有兼容性和量产速度上的优势，战胜了其它对手，成功巩固了自己的地位。SUN、HP和IBM等厂商，也纷纷放弃了自己的CPU架构，转投x86架构的怀抱。

在服务器操作系统这边，竞争同样非常激烈。

微软的Windows视窗系统外观非常漂亮，图形化的界面，很适合普通用户进行操作。但是，在服务器这种强调稳定性的领域，图形化所引入的问题，就变成了累赘。

也就是说，命令行式的操作系统，反而是服务器所需要的。

前面提到贝尔实验室推出了UNIX系统。后来，很多公司都推出了自己的Unix系统分支。

比较有名的，是Sun公司的Solaris、IBM公司的AIX、惠普公司的HP-UX，以及由BSD版本发展起来的FreeBSD。这些系统，占据了服务器操作系统的巨大部分份额。

Unix开始收费和商业闭源之后，行业里的一些爱好者开始推出它的替代。

1991年，正在芬兰赫尔辛基大学求学的林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds），成功编写出了Linux内核（Linux kernel），开启了一个新的操作系统家族。Linux及其发行版（例如Ubuntu、Debian、Centos、Fedora、 Redhat Linux），成为服务器操作系统的主流选择。

Windows虽然也推出了Windows NT，但因为稳定性上不如Unix/Linux，所以市场份额并没有优势。

1990-2000：互联网时代

信息化

20世纪90年代，处理器、内存、硬盘等硬件技术的全面升级，加上操作系统、数据库、应用软件的大量涌现，使得计算机的能力变得越来越强大。

如果说，80年代的PC，对用户来说只是尝鲜。那么，90年代的PC，已经是真正的生产力工具了。

人们不仅用PC来听音乐、看视频、玩游戏，还用它来编辑文档、建立表格、处理数据。除了家庭用户之外，很多企业也开始购入PC，将它应用于日常工作之中。

在PC的帮助下，人们充分感受到IT算力带来的生活品质改善，以及生产效率提升。

整个人类社会的信息化进程，开始加速。

互联网

给信息化又添了一把火的，当然是互联网。

70年代以太网和TCP/IP等技术的出现，为网络的普及奠定了基础。很多单位，都开始建设自己的局域网络。

局域网之间，也开始互联，组成更广域的网络。80年代，网络的规模不断膨胀，最终，覆盖全球的互联网（Internet）正式诞生了。

1991年8月6日，英国物理学家蒂姆·伯纳斯·李（Tim Berners-Lee），正式提出了World Wide Web，也就是如今我们非常熟悉的www万维网。

蒂姆·伯纳斯·李

他还提出了HTTP（超文本传送协议）和HTML（超文本标记语言），设计了第一个网页浏览器，并建立了世界上第一个web网站。

互联网的出现，更是给人们打开了新世界的大门。互联网就是一个拥有无限资源的宝库，各种各样的网站、论坛，令人眼花缭乱。强大的即时通讯工具，也满足了人们的通信和社交需求。

互联网已经超出了技术的范畴。它构建一个线上的虚拟世界，衍生出很多新的商业模式，彻底改变了人类社会。

互联网的蓬勃发展，催生了很多的互联网公司。

这些公司购买了大量的服务器，建设了机房，为用户提供服务。例如邮箱服务、音视频下载服务、网页访问服务等。

所有这些服务，其实也就是算力服务。

云计算

互联网崛起之后，用户的急剧增长，以及业务的潮汐化特点（有时候人多，有时候人少），给服务商带来了很大的压力。

如何以更低的成本，更灵活地满足用户需求，成为众多企业思考的难题。

90年代中期，就有人提出了“云计算”的设想。

1996年，康柏公司的一群技术主管在讨论计算业务的发展时，首次使用了Cloud Computing这个词。他们认为，商业计算会向Cloud Computing的方向转移。

进入21世纪后，设想逐渐成为了现实。

2006年，互联网电商亚马逊（Amazon）率先推出了两款重磅产品，分别是S3（Simple Storage Service，简单存储服务）和EC2（Elastic Cloud Computer，弹性云计算），从而奠定了自家云计算服务的基石。

另一家在云计算上有所行动的公司，是谷歌（Google）。

这家诞生于1998年的年轻公司，在2003~2006年期间，连续发表了四篇重磅文章，分别关于分布式文件系统（GFS）、并行计算（MapReduce）、数据管理（Big Table）和分布式资源管理（Chubby）。

这些文章不仅奠定了谷歌自家的云计算服务基础，也为全世界云计算、大数据的发展指明了方向。

2006年，谷歌工程师克里斯托夫·比希利亚第一次向董事长兼CEO埃里克·施密特（Eric Schmidt）提出了“云端计算”的想法。

8月9日，施密特在搜索引擎大会上，正式提出了“云计算（Cloud Computing）”。

埃里克·施密特

很多人将云计算理解为一个超大号的“机房”。这其实并不准确。

云计算的本质，是一个算力资源池。它把零散的物理算力资源变成灵活的虚拟算力资源，配合分布式架构，提供理论上无限的算力服务。

云计算出现之后，物理计算机变成虚拟计算机。云计算所提供的服务，慢慢被笼统归纳为计算服务，也就是算力服务。

算力这个概念，逐渐被公众所接受。

ARM体系

90年代，2G移动通信普及，让很多用户用上了手机。那时候，PDA掌上电脑等设备，也开始流行。

苹果公司的Newton掌上电脑（1992年）

这类小型化移动终端的功能比较简单，对芯片性能的要求不高，但是非常在意能耗。

这让一家名叫ARM（Advanced RISC Machines）的公司找到了机会。他们高举RISC的大旗，专门走低功耗、低成本的道路，刚好迎合了移动终端的芯片需求。

前面提到，英特尔是搞CISC的，在服务器市场干掉了搞RISC的几个大厂商。当时，他们根本看不上ARM，觉得RISC没前途。结果，就错过了这个关键的市场机遇。

2008年，乔布斯的苹果公司推出iPhone，将手机带入智能时代。

乔布斯

手机、pad等移动终端彻底爆发了，ARM公司和他的ARM架构芯片也大受欢迎，成为移动互联网时代的最大赢家。

如今，移动终端已经成为用户的新宠。人们对手机等设备的依赖，也超过了PC。这意味着，在用户侧，移动终端芯片（ARM架构）的重要性和市场规模，超过了PC芯片。

在移动终端芯片市场进行搏杀的，主要是高通、联发科、三星、华为、紫光展锐等公司。手机市场竞争激烈，手机芯片的新品发布，也是公众日常关注的焦点。

手机芯片

说到PC芯片。进入21世纪以来，PC芯片仍以x86架构为主。英特尔和AMD，不断发布新的产品，有来有往，打得不亦乐乎。

以前，英特尔总是喜欢挤牙膏。现在，对手时不时推出极具竞争力的产品，英特尔也是疲于招架。

在服务器芯片上，英特尔的日子也不是很好过。

为了对抗垄断，以ARM、RISC-V架构为代表的非x86架构强势崛起，市场份额在不断更加。算力厂商的多元化趋势，非常明显。

智算时代

2010年之后，算力还发生了一个重要的变化，那就是算力需求的多元化。

随着整个社会从信息化向数字化发展，越来越多的行业都在进行数字化转型，产生了对算力更为旺盛的需求。

这些需求分为不同类型的场景，除了传统通用计算之外，以人工智能计算为目的的智算，以及以高性能科学计算为目的的超算，开始强势崛起。尤其是智算，崛起的速度极快，对AI算力产生了非常大的需求。

传统CPU的通用算力，无法很好地应对智算和超算需求。于是，以GPU、AI芯片为代表的新型算力，开始成为热门。像英伟达这样的“显卡厂商”，如今市值竟然是英特尔的7倍以上。

除了算力类别的细化之外，算力的服务架构也有演变。

5G以及光通信的发展，构建了强大的网络，给算力的“流动”创造了条件。

如今，算力不再只待在云端，而是可以下沉到边缘，产生了“云计算-边（边缘计算）-端计算”的三层架构。

运营商还提出了算力网络，想要实现算力的全面泛在化。这也在刚才那篇文章中有所提及。

结语

人类的算力发展历程，堪称一部波澜壮阔的科技史诗。

从人工计算到机械计算，再到电子计算，经过了数千年的漫长摸索。

电子计算机的出现，是一个重要的里程碑。在那之后，人类进入了信息时代，算力的性能和规模以前所未有的速度增长，并最终将我们引入了数字时代和智能时代。

数字革命的浪潮，席卷了我们生活的每一个角落。整个人类社会，在算力的驱动下，发生了翻天覆地的变革。

未来，数字化和智能化还将继续向前推进。我们对算力的需求，还在疯狂增长。

在摩尔定律逐渐走向瓶颈的前提下，我们该如何实现算力的倍增？以量子计算为代表的新型算力，是否会全面崛起？

就让时间来告诉我们答案吧！

END

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