腦，作為20世紀(jì)最重大的科技發(fā)明之一，已經(jīng)深刻地改變了我們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式。從最初的機(jī)械計(jì)算器到今日的高速電子計(jì)算機(jī)，電腦的發(fā)展歷程是科技進(jìn)步與人類智慧的結(jié)晶。本文將探討電腦的發(fā)明歷程及其背后的科學(xué)原理和工程實(shí)踐。
早期計(jì)算工具：
在電腦出現(xiàn)之前，人類使用各種機(jī)械裝置來(lái)輔助計(jì)算。例如，算盤和天文儀等，這些裝置可以看作是電腦的原始形態(tài)。然而，隨著數(shù)學(xué)和科學(xué)的發(fā)展，對(duì)更復(fù)雜計(jì)算的需求推動(dòng)了更為先進(jìn)的計(jì)算工具的誕生。
查爾斯·巴貝奇的貢獻(xiàn)：
19世紀(jì)初，查爾斯·巴貝奇提出了差分機(jī)和分析機(jī)的概念。差分機(jī)是一種能進(jìn)行有限差分運(yùn)算的機(jī)械計(jì)算機(jī)，而分析機(jī)則更接近現(xiàn)代電腦的概念，它包含了存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。盡管由于技術(shù)和資金的限制，巴貝奇的機(jī)器在他生前未能完全制造出來(lái)，但他的設(shè)計(jì)思想為后來(lái)的電腦發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
電子計(jì)算機(jī)的誕生：
20世紀(jì)30年代至40年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電腦開(kāi)始進(jìn)入電子時(shí)代。1937年，康拉德·楚澤制造了Z3計(jì)算機(jī)，這是世界上第一臺(tái)功能齊全的程控?cái)?shù)字計(jì)算機(jī)。它采用了二進(jìn)制算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并能夠執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。
二戰(zhàn)期間，為了破解敵軍密碼和進(jìn)行彈道計(jì)算，英國(guó)政府啟動(dòng)了“巨像”計(jì)劃。1943年，“巨像”計(jì)算機(jī)成為世界上第一臺(tái)實(shí)用的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，盡管它是為特定任務(wù)設(shè)計(jì)的。
現(xiàn)代電腦的發(fā)展：
1946年，ENIAC（電子數(shù)值積分和計(jì)算機(jī)）問(wèn)世，標(biāo)志著現(xiàn)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)時(shí)代的開(kāi)端。ENIAC雖然龐大且耗電，但它的成功運(yùn)用開(kāi)啟了電腦技術(shù)的新紀(jì)元。
隨后幾十年中，晶體管取代了笨重的真空管，集成電路的出現(xiàn)又大大縮小了電腦的體積，提升了性能。微處理器的發(fā)明使得個(gè)人電腦成為可能，進(jìn)而引發(fā)了信息技術(shù)革命。
從巴貝奇的機(jī)械計(jì)算機(jī)構(gòu)想到今日的高性能電子計(jì)算機(jī)，電腦的發(fā)明和發(fā)展是人類智慧與探索精神的結(jié)晶。電腦不僅極大地提高了計(jì)算效率，還推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新。隨著人工智能、量子計(jì)算等前沿科技的興起，電腦將繼續(xù)在新的領(lǐng)域展現(xiàn)其無(wú)限潛力。
人類科技發(fā)展的長(zhǎng)河中，計(jì)算機(jī)的誕生無(wú)疑是一個(gè)里程碑式的事件。而當(dāng)我們追溯其起源時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這一偉大的發(fā)明與燈泡息息相關(guān)，這恐怕是很多人難以想象的。愛(ài)迪生在研究燈泡時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：使用過(guò)的燈泡一側(cè)總會(huì)發(fā)黃。這究竟是為什么呢？原來(lái)，當(dāng)燈泡內(nèi)的燈絲被加熱時(shí)，不僅會(huì)發(fā)光發(fā)熱，還會(huì)釋放出電子。這個(gè)現(xiàn)象被稱作熱離子發(fā)射。由于燈泡內(nèi)部是真空環(huán)境，這些電子得以自由漂浮。但由于導(dǎo)線間的電位差，燈絲上的電子被吸引到正極導(dǎo)線，并加速撞擊到燈泡玻璃上，導(dǎo)致燈泡一側(cè)變色。盡管愛(ài)迪生注意到了這一現(xiàn)象，但他并未深入研究其原理。
時(shí)光荏苒，到了1904年，英國(guó)科學(xué)家弗萊明在一個(gè)類似的燈泡上加了一塊金屬片，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象：如果金屬片帶正電，電子會(huì)被吸引并形成完整的電路；而當(dāng)金屬片帶負(fù)電時(shí)，它會(huì)排斥電子，阻止電流通過(guò)。這種裝置后來(lái)被稱為熱離子二極管。熱離子二極管最初被用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。多個(gè)二極管串聯(lián)起來(lái)，便能產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電。然而，這種二極管有個(gè)缺陷：它無(wú)法放大信號(hào)。為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)科學(xué)家德弗雷斯特在弗萊明的真空二極管中加入了一個(gè)金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，充當(dāng)?shù)谌齻€(gè)電極，也稱為柵極。
當(dāng)電流快速通過(guò)時(shí)，只需在柵極施加微小的負(fù)電壓，流動(dòng)的電子就會(huì)被排斥，使得電流無(wú)法到達(dá)正極。而如果柵極施加少量的正電壓，電子又會(huì)重新流向正極。這樣，只需微調(diào)柵極電壓，就能控制正極上的巨大電壓。這種響應(yīng)速度非常快，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大。這些發(fā)明是如何與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生聯(lián)系的呢？要解答這個(gè)問(wèn)題，你可能需要深入了解這些科學(xué)原理。
同時(shí)，如果你對(duì)這些科普內(nèi)容感興趣，可以通過(guò)抖音精選APP進(jìn)行學(xué)習(xí)。這里匯聚了大量?jī)?yōu)質(zhì)科普內(nèi)容，相信你會(huì)受益匪淺。在歷史的某個(gè)角落，我們不得不提及一位名叫喬治布爾的杰出人物。他以數(shù)學(xué)為工具，深入探索邏輯的奧秘，并成功地構(gòu)建了首個(gè)邏輯演算體系。在布爾的理論中，真值被賦予了一的符號(hào)，而假值則對(duì)應(yīng)著零。更為驚人的是，他設(shè)計(jì)出了一系列運(yùn)算，這些運(yùn)算在今天看來(lái)，仿佛預(yù)示著電子時(shí)代的來(lái)臨。時(shí)光飛逝至1937年，科學(xué)家克勞德相濃有了驚人的發(fā)現(xiàn)。他意識(shí)到喬治布爾的運(yùn)算與電子電路之間存在著奇妙的等價(jià)關(guān)系。
這一發(fā)現(xiàn)猶如一道曙光，照亮了科技前進(jìn)的道路。幾乎在同一時(shí)刻，美國(guó)科學(xué)家喬治斯蒂比茨在此基礎(chǔ)上，成功制造出了世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算器。這臺(tái)神奇的機(jī)器能夠處理兩位的二進(jìn)制數(shù)，進(jìn)行加法運(yùn)算。想象一下，這臺(tái)計(jì)算器內(nèi)部的電路圖是如何工作的。左側(cè)的A和B是輸入端，當(dāng)給予相應(yīng)的信號(hào)時(shí)，電流流過(guò)這些端口。而右側(cè)的兩條導(dǎo)線則負(fù)責(zé)輸出和進(jìn)位。當(dāng)進(jìn)行一加零的計(jì)算時(shí)，只需閉合A端，電流經(jīng)過(guò)繼電器產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引開(kāi)關(guān)使電路閉合，于是輸出端的燈泡亮起，表示二進(jìn)制的一。而進(jìn)位端的燈泡則保持熄滅狀態(tài)。同樣地，如果進(jìn)行一加一的計(jì)算，兩個(gè)開(kāi)關(guān)都閉合。
此時(shí)，只有進(jìn)位開(kāi)關(guān)亮起，表示二進(jìn)制的101，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制結(jié)果為二。這種通過(guò)開(kāi)關(guān)組合實(shí)現(xiàn)的電路功能強(qiáng)大，不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的邏輯運(yùn)算，還可以構(gòu)建更復(fù)雜的電路，如與門、或門和非門等。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們進(jìn)一步研發(fā)出了MODEL1計(jì)算機(jī)。這款計(jì)算機(jī)內(nèi)部裝有400多個(gè)繼電器
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“結(jié)繩記事”是計(jì)算的開(kāi)端
如果說(shuō)“結(jié)繩記事”僅是計(jì)數(shù)，那么“算籌”就是真正的計(jì)算工具
算盤也是我們老祖宗的杰出發(fā)明，最擅長(zhǎng)“加減乘除”，包括但不限于乘方、開(kāi)方、對(duì)數(shù)等。還能進(jìn)行開(kāi)發(fā)智力的“珠心算”。別小看算盤，不信做連“加”連“減”，保準(zhǔn)比計(jì)算器還快速、準(zhǔn)確。我有珠算“四級(jí)”證書，你呢？
契克卡德和他制造“計(jì)算鐘”。威廉·契克卡德是德國(guó)數(shù)學(xué)、天文學(xué)教授。“契克卡德計(jì)算鐘”是1623年~1624年研制的，可以進(jìn)行四則運(yùn)算。契克卡德被認(rèn)為是研制機(jī)械式計(jì)算機(jī)器的第一人。
“算盤”的影響力很大，1642年由年僅19歲的法國(guó)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家布萊斯·帕斯卡參考“算盤”原理，發(fā)明了第一部機(jī)械式計(jì)算器：帕斯卡計(jì)算器（也叫滾輪式加法器）。
如果需要乘法，需要萊布尼茨乘法器。1673年德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨設(shè)計(jì)了一架可以進(jìn)行乘法的機(jī)械計(jì)算器。它能進(jìn)行乘法、除法、平方的演算，可以進(jìn)行四則運(yùn)算，最終答案可以最大達(dá)到16位，并且參考了“陰陽(yáng)八卦”，提出了“二進(jìn)制”數(shù)的概念。
巴貝奇差分機(jī)，1819年英國(guó)科學(xué)家巴貝奇設(shè)計(jì)。這臺(tái)機(jī)器能提高乘法速度和改進(jìn)對(duì)數(shù)表等數(shù)字表的精確度，還可以進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算。為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，有人稱巴貝奇為計(jì)算機(jī)之父。
這是Curta計(jì)算器，二戰(zhàn)后期的1947由奧地利工程師Curt Herzstark發(fā)明。現(xiàn)在市場(chǎng)存量還不少，已經(jīng)被作為古董收藏。
阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī)，這是著名的“ABC計(jì)算機(jī)”（為啥叫ABC？知道的請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)留言），是世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，在1935~1939年間由美國(guó)阿塔納索夫和克利福德·貝瑞共同研發(fā)，用于求解線性方程組。
這是圖靈和他的“圖靈機(jī)”。艾倫·麥席森·圖靈在1939年，為破解德軍的英格爾碼密碼而制造。圖靈是英國(guó)數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家，被稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父，人工智能之父。1954年6月7日，圖靈被發(fā)現(xiàn)死于家中的床上，床頭還放著一個(gè)咬了一口的蘋果。 警方調(diào)查后認(rèn)為氰化物中毒，調(diào)查結(jié)論為自殺，年僅42歲。據(jù)傳喬布斯的蘋果公司使用的LOGO，就是向圖靈致敬。
這是世界著名的，第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)：埃尼阿克。于1946年2月14日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生，美國(guó)國(guó)防部用它來(lái)進(jìn)行彈道計(jì)算。它是一個(gè)龐然大物，用了18000個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸。
IBM 701，IBM公司在1951年推出的第一臺(tái)商用電子計(jì)算機(jī)，它是一臺(tái)使用電子管和磁鼓存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)。這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)開(kāi)始進(jìn)入商用領(lǐng)域。
TRADIC晶體管計(jì)算機(jī)，1955年由貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出的世界上第一臺(tái)全晶體管計(jì)算機(jī)。它裝有800只晶體管，只有100瓦功率，占地也僅有3立方英尺。
IBM360計(jì)算機(jī)，1964年4月7日，在IBM成立50周年之際，由年僅40歲的吉恩.阿姆達(dá)爾（G. Amdahl）擔(dān)任主設(shè)計(jì)師，歷時(shí)四年研發(fā)的IBM360計(jì)算機(jī)問(wèn)世，標(biāo)志著第三代（集成電路）計(jì)算機(jī)的全面登場(chǎng)，這也是IBM歷史上最為成功的機(jī)型。
1968年HP公司在廣告中稱為“個(gè)人電腦”的HP 9100A。
Kenbak-1是世界公認(rèn)第一部個(gè)人電腦，1971年在《科學(xué)美國(guó)人》雜志上做廣告銷售，當(dāng)時(shí)售價(jià)750美元，不過(guò)銷售量?jī)H為40臺(tái)。
Alto電腦，1974年在施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心建造。該電腦首次出現(xiàn)了圖形化界面及“鼠標(biāo)”。喬布斯、比爾蓋茨都參觀過(guò)呀，呵呵！
Apple I型電腦，1975年6月29日，由斯蒂夫·沃茲尼亞克在惠普公司辦公室手工打造而成，這只是一臺(tái)原型機(jī)。
Apple II 來(lái)了，這是一種最先出現(xiàn)且最成功的個(gè)人電腦。國(guó)外內(nèi)出現(xiàn)了很多“兼容”機(jī)，香港的“HKC8800”、大陸的“中華學(xué)習(xí)機(jī)”。CPU使用的是大名鼎鼎的MOS 6502，這也是任天堂“紅白機(jī)”用的處理器。很難想象，我第一用AppleII竟然是玩電腦游戲“淘金者”。
CEC-I中華學(xué)習(xí)機(jī)是由電子工業(yè)部計(jì)算機(jī)與信息局組織，清華大學(xué)主持聯(lián)合設(shè)計(jì)，多家企業(yè)參加研制成的微型計(jì)算機(jī)，Apple IIe微機(jī)兼容，并有所增強(qiáng)。
這是我1985年用過(guò)的萊賽310電腦，香港偉易達(dá)公司設(shè)計(jì)制造，處理器是Z80。用電視機(jī)做顯示器，用錄音機(jī)做存儲(chǔ)，是我學(xué)電腦的“首機(jī)”，現(xiàn)在依然無(wú)比懷念。
IBM PC 5150，IBM 在1981年8月12日推出的“個(gè)人電腦”，使用英特爾8088微處理器，微軟MS-DOS操作系統(tǒng)。一經(jīng)上市，它很快占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位，很快又出現(xiàn)各種品牌的“兼容”機(jī)，也為后世的“組裝機(jī)”打下了伏筆。
1983年，蘋果公司推出的第一臺(tái)圖形界面的個(gè)人電腦Lisa。由于售價(jià)高，運(yùn)行速度慢等原因，Lisa在市場(chǎng)上并沒(méi)有獲得成功。
1984年蘋公司推出的Macintosh電腦，這款電腦非常成功，后來(lái)稱蘋果電腦為Mac機(jī)就是來(lái)源于此。
東芝T1100，日本東芝在1985年推出的世界上真正意義上的“筆記本”電腦。
1993年蘋果公司開(kāi)始制造，采用ARM處理器，具備觸控屏幕、紅外線、手寫輸入（甚至支持草書）等，是一個(gè)先于時(shí)代的產(chǎn)品。
1998年，第一代iMac G3橫空出世，率先將 CRT 顯示器、電腦主機(jī)、音響集成在一體的同時(shí)，又將體積控制在當(dāng)時(shí)看來(lái)“嬌小”的程度。
iPad是蘋果公司于2010年1月27日發(fā)布的平板電腦，采用了蘋果1G赫茲的A4處理器，帶有9.7英寸IPS觸摸屏，內(nèi)置了麥克風(fēng)、虛擬鍵盤、支持連接藍(lán)牙鍵盤、電子羅盤、加速度計(jì)（持握方向傳感器）、環(huán)境光線傳感器等。
您第一臺(tái)電腦是啥？評(píng)論區(qū)聊聊吧！