世界第一台计算机.doc

1946年2月14日诞生了世界上第一台电子数字计算机ENIAC（埃尼阿克）。(The Electronic Numerical Integrator And Calculator)“埃尼阿克”计算机的最初设计方案，是由36岁的美国工程师 莫奇利于1943年提出的计算机的主要任务是分析炮弹轨道。美国军械部拨款支持研制工作，并建立了一个专门研究小组，由莫奇利负责。总工程师由年仅24岁的埃克特担任，组员格尔斯是位数学家，另外还有逻辑学家勃克斯。“埃尼阿克”共使用了18000个电子管，另加1500个继电器以及其它器件，其总体积约90立 方米，重达30吨，占地170平方米，需要用一间30多米长的大房间才能存放，是个地地道道的庞然大物。这台耗电量为140千瓦的计算机，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法，比机械式的继电器计算机快1000倍。当“埃尼阿克”公开展出时，一条炮弹的轨道用20秒种就能算出来，比炮弹晒身的飞行速度还快。埃尼阿克的存储器是电子装置，而不是靠转动的“鼓”。它能够在一天内完成几千万次乘法，大约相当天一个人用台式计算机操作40年的工作量。它是按照十进制，而不是按照二进制来操作。但其中也用少量以二进制方式工作的电子管，因此机器在工作中不得不把十进制转换为二进制，而在数据输入，输出时再变回十进制。“埃尼阿克”最初是为了进行弹道计算而设计的专用计算机。但后来通过改变插入控制板里的接线方式来解决各种不同的问题，而成为一台通用机。它的一种改型机曾用于氢弹的研制。“埃尼阿克”程序采用外部插入式，每当进行一项新的计算时，都要重新连接线路。有时几分种或几十分种的计算，要花几小时或12天的时间进行线路连接准备，这是一个致命的弱点。它的另一个弱点是存储量太小，至多只能存20个10位的十进制数。英国无线电工程师协会的蒙巴顿将军把“埃尼阿克”的出现誉为“诞生了一个电子的大脑”，“电脑”的名称由此流传开来。 1996年2月15日，在“埃尼阿克”问世50周年之际，美国副总统戈尔在宾夕法尼亚大学举行的隆重纪念仪式上，再次按动了这台已沉睡了40年的庞大电子计算机的启动电钮。戈尔在向当年参加“埃尼阿克”的研制，如今仍健在的科学家发表讲话：“我谨向当年研制这台计算机的先驱者们表示祝贺。”埃尼阿克上的两排灯以准确的节奏闪烁到46，标志着它于1946年问世，然后又闪烁到96，标志着计算机时代开始以来的50年。第一台电子计算机在1946年2 月14日问世了。全称是“电子数值积分和计算机”，英文名字是“Elextronic Numerical Integrator And Computer”简称ENIAC（埃尼阿克）。它是由美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院的莫尔小组承担研制的。它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成，重达30吨，占地160平方米，耗电174千 瓦，耗资45万美元。这台计算机每秒只能运行5千次加法运算，或400次乘法。 埃尼阿克的存储器是电子装置，而不是靠转动的鼓。它能够在一天内完成几千万次乘法，大约相当于一个人用台式计算机操作40年的工作量。它是按照十进制，而不是按照二进制来操作。但其中也用少量以二进制方式工作的电子管，因此机器在工作中不得不把十进制转换为二进制，而在数据输入、输出时再变回十进制。eniac 第一台电子计算机叫 ENIAC（中文名：埃尼阿克）（电子数字积分计算机的简称，英文全称为 Electronic Numerical Integrator And Computer），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特在当时年仅24岁。在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院揭幕典礼。它，就是世界上第一台现代电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）。这个庞然大物占地面积达170平方米，重达30吨。在揭幕仪式上，“埃尼阿克”为来宾表演了它的“绝招”-分别在1秒钟内进行了5000次加法运算和500次乘法运算，这比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。这次完美的亮相，使得来宾们喝彩不已。ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积约63平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468 真空管7,200水晶 二极管, 1,500 中转, 70,000 电阻器, 10,000 电容器，1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。研制电子计算机的想法产生于第二次世界大战进行期间。当时激战正酣，各国的武器装备跟现在比差远了，占主要地位的战略武器就是飞机和大炮，哪有什么“飞毛腿”导弹、“爱国者”防空导弹、“战斧式”巡航导弹，因此研制和开发新型大炮和导弹就显得十分必要和迫切。为此美国陆军军械部在马里兰州的阿伯丁设立了“弹道研究实验室”。美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张火力表以便对导弹的研制进行技术鉴定。千万别小瞧了这区区6张火力表，它们所需的工作量大得惊人！事实上每张火力表都要计算几百条弹道，而每条弹道的数学模型你知道是什么吗？一组非常复杂的非线性方程组。这些方程组是没有办法求出准确解的，因此只能用数值方法近似地进行计算。不过即使用数值方法近似求解也不是一件容易的事！按当时的计算工具，实验室即使雇用200多名计算员加班加点工作也大约需要二个多月的时间才能算完一张火力表。在“时间就是胜利”的战争年代，这么慢的速度怎么能行呢？恐怕还没等先进的武器研制出来，败局已定。为了改变这种不利的状况，当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利（John Mauchly）于 1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想“高速电子管计算装置的使用”，期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。美国军方得知这一设想，马上拨款大力支持，成立了一个以莫希利、埃克特（Eckert）为首的研制小组开始研制工作、预算经费为15万美元，这在当时是一笔巨款。要不是为了战争，谁能舍得出这么大的钱！虽说战争万恶，但未始不偶尔促进科技的发展。让研制工作十分幸运的是，当时任弹道研究所顾问、正在参加美国第一颗原子弹研制工作的数学家冯诺依曼（vn weumann，美籍匈牙利人）带着原子弹研制过程中遇到的大量计算问题，在研制过程中期加入了研制小组。他对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献，从而保证了计算机的顺利问世。虽然ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速度不过几千次（现在的超级计算机的速度最快每秒运算达万亿次！），但它比当时已有的计算装置要快1000倍，而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。ENIAC宣告了一个新时代的开始。从此科学计算的大门也被打开了。人们当然不会满足于此的！自第一台计算机问世以后，越来越多的高性能计算机被研制出来。计算机已从第一代发展到了第四代，目前正在向第五代、第六代智能化计算机发展。像最初制造出来的ENIAC一样，许多高性能的计算机总是在为尖端和常规武器、特别是核武器的研制服务。和人类发明的所有工具一样，计算机的产生也是由于实际需要方得以问世的。从18世纪以来，科学技术水平有了长足的进步。制造电子计算机所必需的逻辑电路知识和电子管技术已经在19世纪末和20世纪初出现并得以完善。因此可以说制造计算机的基础科学知识已经完备。但为什么世界上第一台电子计算机要退至40年代中期才得以问世呢？这里面主要是实际需要是否迫切和资金是否到位的问题。实际需要当然一直都存在，谁不想拥有一种最先进的计算工具呢？但光是需求并不能决定一切。凡研制一种新工具，总是需要先期投入大量资金（研制ENIAC时，一开始就投资15万美元，但最后的总投资高达48万美元，这在40年代可是一笔巨款！）。能为一种未问世的工具大胆出钱的总是少数。最后还是战争使计算机的诞生成为现实。事实上各种各样的社会需求中，战争期间的需求始终是最迫切的，因为事关生死存亡。政府和军方总是出手大方，将最新的科技成果应用到诸如战略和常规武器的研制工作上，以确保己方在军事上处于领先地位。电子计算机正是在二次世界大战弥漫的硝烟中开始研制的。如前面所述，当时为了给美国军械试验提供准确而及时的弹道火力表，迫切需要有一种高速的计算工具。因此在美国军方的大力支持下，世界上第一台电子计算机ENIAC于1943年开始研制。参加研制工作的是以宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫西利和埃克特为首的研制小组。在研制中期，著名数学家冯诺依曼加入行列。历时两年多，ENIAC研制成功。1945年春天，ENIAC首次试运行成功。1946年2月10日，美国陆军军械部和宾夕法尼亚大学莫尔学院联合向世界宣布ENIAC的诞生，从此揭开了电子计算机发展和应用的序幕。现在人们常打交道的绝大多数都是个人计算机，它体积小，重量轻，性能高。虽然现在也有不少的巨型和大型计算机，但它们都“藏在深闺人未识”，安置在专门为它建造的建筑物里，一般人是不太容易一睹其“芳容”的。所以在许多人的心目中，可能会想当然地认为最初的计算机也有这么“苗条”。那可大错特错了！以前的计算机可是不折不扣的庞然大物！就拿ENIAC来说吧，它采用电子管作为基本电子元件。用了多少个呢？足足有18800个电子管，而每个电子管大约有一个普通家用25瓦灯泡那么大！这样ENIAC就有了8英尺高（约244米）、3英尺宽（约09米）、100英尺长（约3048米）的身躯，占去了1800平方英尺(167 m ²)，重达30吨，耗电150千瓦。ENIAC这个庞然大物能做什么呢？它每秒能进行5000次加法运算（据测算，人最快的运算速度每秒仅 5次加法运算），每秒即次乘法运算。它还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。以现在的眼光来看，这当然很微不足道。但这在当时可是很了不起的成就！原来需要20多分钟时间才能计算出来的一条弹道，现在只要短短的30秒！这可一下子缓解了当时极为严重的计算速度大大落后于实际要求的局面。由于当时冯诺依曼正参与原子弹的研制工作，他是带着原子弹研制过程中遇到的大量计算问题加入到计算机的研制工作中来的。因此可以说，ENIAC为世界上第一颗原子弹的诞生也出了不少力。但即使在当时看来，ENIAC也是有不少缺点的：除了体积大，耗电多以外，由于机器运行产生的高热量使电子管很容易损坏。只要有一个电子管损坏，整台机器就不能正常运转，于是就得先从这18万多个电子管中找出那个损坏的，再换上新的，别提有多么麻烦了。 关于世界上第一台计算机的疑问在国内的绝大部分媒体上都会出现世界上第一台电子计算机是上世纪1946年由美国人毛克利（John Mauchly）发明的ENIAC文字记载，但另一种说法却是：世界上第一台电子计算机是由美国爱荷华州立大学的约翰 文森特阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的研究生克利福特贝瑞（Clifford Berry）先生在1937年至1941年间开发的“阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，简称ABC）”。在维基百科（wikipedia.org）上你只要输入“John Vincent Atanasoff”或“AtanasoffBerry Computer”就可以找到“约翰文森特阿塔纳索夫”教授的生平和“阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer）”的发明过程，在Google中搜索“AtanasoffBerry Computer”也会有四万多条检索结果，在美国爱荷华州立大学的网站上有更详细的介绍（http: /www.cs.iastate.edu/jva/jva-archive.shtml）。而在国内的朋友们竟很少有人知道此事真相， 不少国内的作者在他们的专著、教材中，甚至科普活动中，仍然宣传ENIAC是世界上第一台计算机。因此，做为一名IT工作者有必要本着科学的精神，替前人 澄清事实，希望通过此文有助于纠正这个在国内知识界长期存在的重大学术误会，以正视听。经证实，世界上的第一台计算机应为“ABC”。1941年，“ENIAC”的发明者之一莫科里在阿坦纳索夫家借住5天，借此机会盗取了研究成果及想法，之后与埃克特一起制造了“ENIAC”并申请了专利，被世人称为“现代计算机之父”而阿坦纳索夫并未重视自己的重大发明“ABC”，学校也没有重视此项发明，并拆掉了“ABC”。后经过美国法院判决，推翻并吊销了莫科里的专利，“现代计算机的基本想法是来自约翰-文森特-阿坦纳索夫”。1946年2月15日是计算机发展史上值得纪念的一个日子。这一天美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院喜气洋洋，许多人心情激动地来到莫尔学院，参加一个可载入史册的典礼，即人类历史上第一台现代电子计算机的揭幕典礼。这台机器名为“电子数值积分和计算机”(简称埃尼阿克，见图 1.1)，它看上去完全是一个庞然大物，占地面积达170m2，质量达30t，耗电量也很惊人，功率为150kW，共使用了近两万个电子管，在工作时这些管子看上去活像两万只点着的灯泡。埃尼阿克主要用来进行弹道计算的数值分析，用十进制进行计算。它在 1s图1.1埃尼阿克计算机内能进行数百次的加法运算，这在当时已是划时代的高速计算机了。用它计算炮弹着弹位置所需要的时间，比炮弹离开炮口到达目标所需要的时间还要短。它一度被誉为“比炮弹还要快的计算机”。经过多次改进，后来的埃尼阿克成为一台能进行各种科学计算的通用计算机。它的最大特点是采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和储存信息。同以往的计算机相比，它的速度极快，比两年前艾肯研制的机电式自动控制计算机要快1000倍。这使得它能胜任相当广泛的现代科学计算。埃尼阿克是人类计算工具发展史上一座不朽的丰碑。它是世界上第一台真正能运转的大型电子计算机。正是它同几年后制成的冯诺伊曼机一起，奠定了现代计算机原型。 在从蒙昧时代到文明社会的艰难进行过程中，人类发明了轮子、杠杆、热机、机床、电话、电视等。这些人类智慧的果实已经延长了人类的感官的功能，从而促进人类社会不断发展。而电子计算机的发明更是史无前例，对人类生活的影响将是不可估量的，因为它延长了人类最神秘也最宝贵的部分脑的功能。埃尼阿克的问世也充分表明，一项重大发明只有为社会发展所迫切需要，才能脱颖而出。反之，如果社会没有这方面的需求，多么美妙的设想也逃脱不掉为历史所淘汰的命运。电子计算机制造技术在20世纪30年代已经成熟，而在20世纪40年代才开花结果， 也许正是这个原因。在冷酷无情的历史面前，个人的力量太渺小了。是莫克利而非阿塔纳索夫发明了电子计算机，这不是个人的力量所能决定的，这是历史的选择。 虽然埃尼阿克的运算速度已经相当快了，但是，它仍然没有最大限度地发挥采用电子技术所提供的巨大潜力。初生的电子计算机存在着明显的缺陷： 它的存储容量太小； 它的程序是用线路连接的方式实现的，不能存储。为了进行几分钟或几小时的数字计算，要花费几小时甚至12天的时间做准备。而且，由于它耗电量大，工作起来常常会因烧坏电子管而被迫停机检修。 图1.2冯诺伊曼还在1944年，即 ENIAC尚未竣工时，人们已经意识到了这些问题。美国军方要求莫尔学院在建造 ENIAC的同时，立即设计效率更高的计算机。就在这一关键时刻，计算机发展史上又一重要人物冯诺伊曼教授(见图1.2)承担了这一重要任务。1903年，冯诺伊曼出生于匈牙利的布达佩斯，他从小就显示出多方面的天才，不到18岁，就和辅导老师合写了一篇数学论文。他精通7门语言，为其从事科学研究奠定了深厚的基础。几乎在获得布达佩斯大学数学博士学位的同时，兴趣广泛的冯诺伊曼又通过了苏黎世高等技术学院化学方面的学士学位考试。博学多才的冯诺伊曼在理论科学和技术科学方面都有较高的造诣。他的早期工作主要涉及纯数学领域，但他并不仅仅关心纯数学的进展。他坚信在现代文明社会中对基础学科的评价会降低，技术永不停息的发展对人类社会的推动作用会大大加强。因此，他特别关注物理科学和技术科学的状况，努力发掘使用现代数学方法的潜在威力。1944年的夏天，一个偶然的机会，冯诺伊曼得知莫尔小组正在研制电子计算机。当时，他正参加第一颗原子弹的研制工作，面临着原子核裂变反应过程中的大量计算问题。这些问题涉及数十亿初等算术运算和初等逻辑指令。它们虽然不需要非常精确的最终数据，但所有中间的和细节的运算都必须相当精确。为此，曾有成百名女计算员一天到晚用台式计算机演算，结果还是不能令人满意。作为弹道研究所和洛斯阿拉莫斯科学研究所的顾问，冯诺伊曼一直在寻找解决计算问题的新方法。因此，当听到制造电子计算机的消息后，他大为惊喜，随即专程到莫尔学院参观了还未竣工的ENIAC 。科学家的洞察力以及深厚的科学素养，使他立刻觉察到了电子计算机应用的广阔前景。这位著名数学家毫不犹豫地投入到成败未卜的新型计算机的设计工作中，并迅速成为这一领域的带头人。 查看演示 正是在冯诺伊曼的带领下，从1944年8月到1945年6月短短10个月的时间内，计算机的设计工作获得了巨大的进展。人们定期在莫尔学院举行学术会议，提出各种报告，许多富有创见的思想接二连三地涌现出来。经过严肃的争论和激烈的交锋，形成全新的科学思想，前所未有的存储程序通用电子计算机方案EDVAC 方案就这样问世了。这份浸透了科学家们的智慧和心血的报告草案共101页，它明确规定新型计算机有5个组成部分： 计算器CA； 逻辑控制装置CC； 存储器M； 输入I； 输出O。并详细描述了这5个部分的职能和相互关系。同ENIAC相比，EDVAC方案有两个重大改 进： 为充分发挥电子元件的高速度而采用了二进制； 提出了“存储程序”，可以自动地从一个程序指令进到下一个程序指令，其作业顺序可以通过一种称为“条件转移”的指令而自动完成。长达101页的EDVAC方案是计算机发展史上的一个划时代的文献。在这个方案中，首次提出了存储程序的概念，解决了第一台电子计算机 ENIAC的重大缺陷。也正是在这一方案中，提出了现代计算机发展的基本体系结构，从而奠定了现代计算机的发展基础。由于冯诺伊曼的巨大的声望和荣誉，他的参与使得计算机的研制工作受到社会上的广泛重视，从而为计算机的迅猛发展开辟了道路。 存储程序的概念是计算机发展史上的又一座丰碑。长期以来，人们一直认为这一重要概念是冯诺伊曼和 ENIAC小组最先提出来的。然而，冯诺伊曼从来没有说过存储程序型计算机的概念是他最先提出的。相反，他不止一次地指出，图灵是现代计算机设计思想的提出者。那么，图灵是怎样一个人呢? 图灵是英国著名的数学家和科学家，他的深刻的思维能力和非凡的创造力使人们不能不承认他是一个天才。在他短暂的42年的人生旅途中，他获得了来自各个方面的崇高荣誉和极大声望。人们确信如果不是正当壮年却意外死亡，他一定会为科学史的长卷写出更美的篇章。图灵生于1912年，1931年进入剑桥大学学数学，毕业后留校任教。1936年，年仅24岁的图灵便提出了理想计算机图灵机的理论。图灵机由三部分组成，包括一条带子、一个读写头和一个控制装置。他证明存在一种图灵机，它能模拟任何给定的图灵机，这就是通用图灵机。通用图灵机把程序和数据都以数码的形式存储在纸带上，是“存储程序”型的，这种程序能把高级语言写的程序译成机器语言写的程序。通用图灵机实际上是现代通用数字计算机的数学模型。这个理论是在第一台电子计算机问世的10年前提出的，这就不能不让人感叹图灵思想的深刻与超前。特别值得指出的是，图灵提出理想计算机的理论，其目的并不是为了研制某种具体的计算机，而是为了解决线性数学的一个基础理论问题。也就是说，图灵关于计算机的种种设想都是在抽象的纯粹的理论思维领域进行的。他涉及的是现代计算机工作的基本理论问题，而不仅是实际制造和操作。正是因为图灵研究的是计算机技术的深层理论问题，他才比其同代人更早地发现计算机理论研究的新情况、新问题。图灵在1950年发表的计算机能思考吗？一文又在西方世界引起了巨大反响，并掀起了关于机器能否思维这样一场激烈争论。就在这篇论文中，图灵设计了一个闻名于世的“图灵测验”，即一个人在不接触对象的情况下，同对象进行一系列的问答。如果他根据这些回答无法判断对象是人还是机器，那么就可以认为这个计算机具有与人相当的智力。目前，还没有一台计算机能通过图灵测验。但是，图灵认为在理论上有可能存在这样的机器，它们能做某些非常接近于思维的事情。图灵预言20世纪末将会制造出与人脑的活动方式极为相似的机器。作为计算机理论的先驱，图灵的思想已远远走在时代的前面。然而，图灵本人也并没有远离计算机的研制工作。在第二次世界大战中，图灵曾在英国外交部所属的一个绝密机构服役。这个机构的主要任务是破译德军的密码。现在发现的资料表明，在1943年，这个机构曾制造出一台有1500个电子管的破译密码的专用电子计算机。这台机器采用了图灵机的某些概念，破译了德国的很多密码，在战争中发挥了重大作用。从英国政府20世纪70年代透露出来的一些文件来看，很可能世界上第一台电子计算机不是 ENIAC，而是与图灵有关的。只是这种计算机的许多资料至今仍然是保密的，因此，就给人们留下了一个未解的谜。图灵退役以后，来到英国国家物理研究所工作。在那里，他积极参与了自动计算机ACE的研制工作。1945年，图灵提供了一份长达50页打字纸的ACE设计说明书。在这份报告中，他提出了仿真系统的思想，而带有仿真系统的计算机直至20世纪70年代才被制造出来。两年以后，在一份关于人工智能的内部报告中，图灵又提出了不少令人感兴趣的概念。其中，关于自动程序设计的思想是20年后发展起来的人工智能研究的重要课题。一般认为，现代计算机的基本概念源于图灵。也正是为了纪念图灵对计算机理论与研究的卓越贡献，美国计算机学会设立的一年一度的计算机大奖，是以图灵的名字来命名的(图灵与图灵机见图1.3)。第一台计算机的制作者John Mauchly J. Presper Eckert 合作者 （埃克特，右边）