计算机与信息技术:新时代的“超级大脑”
大脑就像一台计算机,而计算机就是一个超级大脑。

这仿若是最好的时代,足不出户便可知晓天下大事、动动手指就能阅遍世间文章。第三次科技革命是今日人们享受无数便利的源头,而计算机的发明与发展,就是其中的引线,点燃了信息大爆炸的时代烟火。

结绳记事

计算机俗称电脑,顾名思义是用作计算的工具。从人类拥有智慧以来,就从未停止对简便计算工具或计算方式的改进。早期人类用手指、石头或绳结来计数,古人发明了筹码、算盘等工具辅助计算。进入15世纪,地理大发现时代加速了世界性的贸易往来,计算工作越来越繁重,以往的计算工具已无法满足复杂巨大的计算需求。因此,计算工具的大规模改进与发明创造陆续出现。

算盘

苦涩的事实是,尽管不断有一些提高计算效率的发明如计算尺、帕斯卡加法器、莱布尼茨的机械计算机、打孔卡片机等出现,但限于当时条件,能够处理复杂多种运算的工具始终未能研制成功。

这一僵局终于在20世纪迎来了突破。在短短两百年左右的时间里,两次工业革命席卷而来,人类一举跨入了“电气时代”,机器大规模地取代人力,新技术、新材料、新工业不断涌现并取得发展。

如果把计算机比作一盘菜肴,那么此时,各类配菜和调料都已齐备,只需升起炉膛,便能品尝美味。在此,需要请出两位“主厨”——常称为“计算机科学之父”的阿兰·图灵(Alan Turing)“现代计算机之父”的冯·诺依曼(John von Neumann)。

图灵少年时就表现出了独特的直觉创作能力和数学爱好,15岁时就帮助母亲理解爱因斯坦相对论

1936年,图灵完成了他的成名之作——《论可计算数及其在判定问题中的应用》,这篇30多页的论文提出可以辅助数学研究的机器能被实现,并可以用简单的逻辑符号来和实体世界建立联系。这个假设的机器被称为“图灵机”

1936-1938年,图灵在美国普林斯顿大学攻读博士,毕业后他拒绝了不低的年薪,回到了英国老家。一头扎进实现“图灵机”的研究,沉迷在数理逻辑和计算理论以及机器的制造和构建中。

很快,第二次世界大战爆发,由于急需破解德军的密码,图灵应召进入主要进行英国通信军事的布雷切利园工作。在图灵的领导下,布雷切利园的破译团队研制出了人类历史上第一台逻辑计算破解密码的机器——“炸弹机(Bombe)”。后来这台机器批量破解了德军的大量情报,对二战胜利有很大帮助。

在布莱切利园的图灵石像

1950年,图灵发表了《计算机与智能》,为人们开启了计算机和人类生活联系的开端。但由于其同性恋身份被查出后受到审判和迫害,1954年,无法再承受巨大精神压迫的他结束了自己的生命。

直到图灵逝世前,他也没有找到好的实物和逻辑方法来实现他关于计算机发展的设想。但图灵对于计算机的科学思想和实操,却给冯·诺依曼提供了巨大启蒙。10年之内,图灵的想法就变成了现实。在冯·诺依曼那里,那些指令变成了程序,图灵的设想变成了一台通用计算机。

冯·诺依曼和图灵都堪称“计算机之父”之名,在其他方面却天差地别。

与图灵的孤僻专注不同,冯·诺伊曼是一个开朗的胖子。他一到美国就爱上了那里,觉得这里的人说话办事干净利索,于是和一起前来的老乡维格纳商量,两人干脆都把自己的匈牙利名字(诺依曼·亚诺什·拉约什)改成了美国范儿。

冯·诺依曼

彼时,当英国为战事焦头烂额,独立后的美国却靠贩卖军事物资赚得盆满钵满。钱袋子鼓了,就开始鼓捣起了核武器。

1943年,美国为了实验核武器的爆炸效果,需要计算炮弹的弹道表,这涉及到大量的计算。一张弹道表需要计算近4000条弹道,每条弹道需要计算750次乘法和更多的加减法,工作量的巨大简直令人难以想象。你可以想象这样一个场景:一发炮弹打出去,100多人用一种手摇计算机算个不停,还经常出错,费力不讨好。

正在此时,美国费城莫尔电气工程学院的约翰·莫奇利和约翰·埃克特提出了一个关于计算机的想法。美国军方得知此设想后兴奋异常,立即拨款成立了以两人为首的研制小组,开始合作研发电子数字积分计算机(Electronic Numerical Integrator and Computer, 简称ENIAC)。如果ENIAC一旦成功,它将成为第一台全电子数字计算机。

而此时的冯·诺依曼早已被涉及原子弹的运算困难折腾得懊恼异常,当偶然得知ENIAC计算机的研制计划后,马上加入到改进研制中。冯·诺依曼为建造ENIAC作出了许多贡献,其精髓贡献就是:确定二进制思想和程序内存思想。

他提出并确定用最简单的逻辑0和1来进行计算,通俗点就是通电和不通电来表示计算机的逻辑方法。并提出用内存这个东西来存储0和1并且交给一个处理的中心去解决然后又存储回来,也就是后来的高性能独立CPU。

此外,他还提出了“存储程序通用计算机方案”,统一和确定了计算机五大基本部分,即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这一套新的计算机结构,成为今天所有计算机设计通用的底层结构——冯·诺依曼结构。

冯·诺伊曼结构

1946年2月14日,ENIAC(中文名称:埃尼阿克)终于在宾夕法尼亚大学与世人见面。埃尼阿克包含了17468电子管、7200根晶体二极管、1500个中转、70000个电阻器、10000个电容器、1500个继电器、6000多个开关。作为世界第一台电子计算机,和今天的计算机比起来,犹如蚂蚁眼中的大象。它长30.48米,宽6米,高2.4米,占地面积约170平方米。它有30个操作台,重达27吨,耗电量150千瓦,造价达到48万美元。

但一切都值得,ENIAC的问世具有划时代的意义,它宣告着电子计算机时代的到来。随后冯·诺依曼确定的二进制来表示数据的思想更被证实是正确的,更为全世界的研究人员指明了方向。

第一台电子计算机ENIAC

从此,计算机技术犹如泄了闸的洪水,开始飞速狂奔:

1947-1948年半导体晶体管研制成功;

1971年世界上第一台以大规模集成电路作芯片的微型计算机在美国制成;

1976年美国又推出第一台“苹果电脑”,开创了个人电脑时代;

1998年美国宣布开发出每秒能运算3.9万亿次的超级计算机——“太平洋蓝”;

2005年英特尔的双核“奔腾D处理器”问世, 含有2.3亿个晶体管,采用90纳米制程技术生产;

此后, 台式PC机和笔记本电脑利用“双核”“四核”“八核”甚至更多的芯片,不断提高着计算机的性能。

从以ENIAC为代表的第一代电子管计算机到如今的大规模集成计算机,这一切更新迭代,不到百年,却直接将人类送入了高速跑道。

1973年世界上第一个光纤通信实验系统建成;1989年美国的因特网 (Internet) 正式命名;1993年美国推出跨世纪的 “信息高速公路”战略,此后全球兴起信息高速公路建设热潮;1996年美国政府宣布投资1亿美元建设第二代计算机互联网。随着网络技术的不断发展,网络地址容量更大、传输速度更快、安全管理更严格, 为实现人与人、人与物、物与物之间的信息交换创造条件。

计算机与通信网络技术的珠联璧合让信息成为一门专门的技术,信息技术由此引发的信息革命,开辟了人类社会信息化的进程,人类从“电气时代”跨入了“信息时代”,信息科技成为经济和社会发展的巨大引擎,成为推动人类文明和社会进步的强大动力。

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