从算盘到量子计算:计算机的奇幻进化之旅

信息化筑基基地 2024-11-26 17:55:05

亲爱的信息化筑基基地的基友们,你们好!今天,让我们一起踏上时光机,探索计算机的发展历程。这不仅仅是一段技术史,更是一部人类智慧的进化史。

计算机的发展流程大致可以分为:计算工具、机械计算机、电子计算机。

一、计算工具

早期,人类使用手指进行计算,这是很自然的方式,因为人有十个手指,也由此产生了十进制记数法。但手指计数有明显不足,当数字变大后,手指个数不够,且无法长时间保持计数状态。于是,人们开始使用石头计数,不过石头笨重不便携带。后来又出现了用绳子计数的方法,更加轻松方便,英语单词 “cord”(绳子)和 “record”(记录)就体现了两者的渊源。

1.算筹

随着时间的推移,最原始的人造计算工具算筹出现了。算筹是若干根相同长短和粗细的小棍子,一般长约13~14cm,径粗约0.2~0.3cm,算筹多用竹子制成,也有木头、兽骨、象牙、金属等材料的。它采用十进制记数法,有纵式和横式两种摆法,可以表示任意大的自然数。算筹在春秋战国时期已非常普遍。

2.算盘

算盘是计算工具发展史上的一次重大改革,由算筹演变而来。算盘利用进位制计数,使用时需配合口诀,好比计算机的软件。它能存储数字,使用方便,在元代后期取代算筹成为主流计算工具。在阿拉伯数字出现前,算盘是世界广为使用的计算工具。

二、机械计算器

1.帕斯卡计算器

进入机械计算机时代,1642 年,法国数学家布莱士・帕斯卡发明了加法机,即帕斯卡加法器。这是世界上第一台机械式计算机,利用齿轮的转动实现加减法计算。如果某一位上数字之和大于 9,加法机就会自动通过齿轮进位。

2.莱布尼茨乘法器

德国数学家莱布尼茨在帕斯卡加法器的基础上进行改进,发明了新型计算机,增添了 “莱布尼茨轮”,实现了数据输入的功能。在1673年,莱布尼茨设计了一架可以进行乘法,最终答案可以最大达到16位。莱布尼茨是现代机器数学的先驱,他在帕斯卡加、减法机械计算机的基础上进行改进,使这种机械计算机能进行乘法、除法、平方的演算。他造出的计算器样机达到了可以进行四则运算的水平。

三、电子计算机

1946 年 2 月 ,世界上第一台电子数字计算机 “ENIAC” 在美国宾夕法尼亚大学诞生。它主要由大量电子管组成,用于科学计算。ENIAC 体积庞大,占地 150 平方米,重达 30 吨,使用18000个电子管、70000个电阻、10000个电容、1500个继电器和6000多个开关,耗电功率约150 千瓦,每秒可进行 5000 次运算。

第一代电子管计算机(1946 - 1957),主要特征是采用电子管元件作基本器件,用光屏管或汞延时电路作存储器,输入域输出主要采用穿孔卡片或纸带,体积大、耗电量大、速度慢、存储容量小、可靠性差、维护困难且价格昂贵。在软件上,通常使用机器语言或者汇编语言,主要用于科学计算。

第二代晶体管计算机(1958 - 1964),基本逻辑元件为晶体管,内存大量使用磁性材料制成的磁芯,外存采用磁盘和磁带。体积小,重量轻,速度快,逻辑运算功能强,可靠性大大提高。同时程序语言也相应出现了,如 Fortran,Cobol 等计算机高级语言。晶体管计算机被用于科学计算的同时,也开始在数据处理、过程控制方面得到应用。

第三代中小规模集成电路计算机(1965 - 1971),基本逻辑元件为中小规模集成电路,内存大量使用半导体存储器,外存大量使用高速磁盘。体积更小,功耗减小,可靠性提高,运行速度提高,内存容量大,价格低。在软件方面,有了标准化的程序设计语言和人机会话式的 Basic 语言,其应用领域也进一步扩大。

第四代大规模和超大规模集成电路计算机(1971 - 至今),基本逻辑元件为大规模和超大规模集成电路,内存采用半导体存储器,外存则采用大容量磁盘和光盘。计算机速度达到每秒几百万次至上亿次。软件系统工程化、理论化,程序设计自动化。微型计算机在社会上的应用范围进一步扩大,几乎所有领域都能看到计算机的 “身影”。

计算机的发展从最初的简单计算工具,到机械计算机,再到电子计算机,经历了漫长的历史过程,每一个阶段的发展都离不开科学家们的创新和努力。随着技术的不断进步,计算机的性能越来越强大,应用领域也越来越广泛。未来,计算机技术将继续发展,为人类带来更多的便利和创新。

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