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[计算机科学#1]:计算机的前世今生，从算盘到IBM的演变之路

news 2025/6/9 7:53:49

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内容摘要：在我们的日常生活中，计算机无处不在——从智能手机到自动驾驶汽车，从虚拟现实到金融系统。我们已经进入一个电子信息的时代，但你是否想过，这一切是如何开始的？今天就带你走进计算机的早期历史，一起回顾从算盘到通用计算机的演变之路。

关键词： 算盘分析机打孔卡片制表机

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人类对“计算”的最初需求

早在公元前2500年，美索不达米亚人就发明了人类已知最早的计算工具——算盘。算盘帮助人们进行加减法计算，同时还能保存计算状态。

如图，假设 10 进制算盘有 4 排，每排 10 颗算子，从下到上，级数递增。放到右边的是结果，那么上图：

1x2+10x1+100x2+1000x3 = 3212

在接下来的4000年中，随着人类社会的进步，计算需求越来越多，人类发明了各种计算工具，如：星盘：用于航海定位；计算尺：辅助乘除计算；时钟装置：用于计算天体、潮汐等自然现象。这些设备大大提升了计算效率，降低了使用门槛，也开启了人类“外包大脑”的进程。

“computer”：从人到机器

最初的“computer”其实是指“计算人员”。直到19世纪末，这个词才开始用于描述机械计算设备。德国学者莱布尼茨的“步进计算器”在1694年诞生，是首个能完成加减乘除的机械计算器。

步进计算机

🛠 基本构造：

十齿齿轮：每一个齿轮代表一位数字，从0到9。旋转一圈等于加了10。
阶梯圆柱：
- 这是莱布尼茨设计中的核心创新。
- 它是一种圆柱形零件，表面有逐步增加高度的齿。
- 想象一个不规则的“鼓”，一边是0齿，另一边是9齿，每一层多一个齿。
- 可以通过调整“啮合位置”来控制它带动的数量 —— 比如啮合在第3齿的高度时，每转一圈就加3。
拨号盘：
- 操作员通过拨号输入数字。
- 每个拨号盘连接一个阶梯圆柱，对应一位数（个位、十位、百位等）。
进位机制：
- 当某一位加到10后，它会触发下一位的齿轮+1。
- 这个过程由齿轮和棘轮（ratchet）系统完成，就像现在的汽车里程表那样。

进入工业与战争时代

19世纪末，计算设备开始服务于战争与政府任务，例如用于炮弹轨道计算的“射程表”，但射程表需要频繁更新，明显不利于紧张的战局形势。复杂度越来越高，人类已迫切需要更高效的计算方式。

计算表

现代计算机之父

Charles Babbage 发明了“差分机”和“分析机”，这些超前的思想在时代受阻，最终没有完成这两种机器。但Charles Babbage 提出了跨时代的概念：“自动计算”，计算机可以自动完成一系列操作。而英国数学家Ada Lovelace 女士给分析机写了假想的程序，并说：“未来会诞生一门全新的，强大的，专为分析所用的语言”，因此 Ada Lovelace 被认为是世界上第一位程序员。分析机激励了第一代计算机科学家，这些科学家将前者的点子融入到了自己的机器构造中。

计算机进入商业时代

在1890年，美国宪法规定每十年必须进行一次全国人口普查。然而，随着人口的快速增长，仅靠人工进行数据统计效率极低，耗时漫长。1880年的人口普查就用了整整七年才完成。预计1890年的人口普查将耗时超过十年，几乎无法满足宪法的时效要求。为了提高统计效率，工程师 Herman Hollerith 发明了一种革命性的装置——打孔卡片制表机。这台机器的工作原理部分继承了莱布尼茨的“步进计算器”，但在结构上更为先进，采用了电动系统驱动机械部件。

打孔纸片

每张纸质打孔卡上预先标有多个孔位，对应着人口信息字段，如年龄、性别、婚姻状况等。普查人员只需根据受访者的信息，在相应位置打孔，然后将卡片插入机器。当金属探针下压，穿透打孔处并触碰到汞或金属片时，即可导通电路，驱动电机完成一次计数。这种“电动-机械”混合式统计设备比传统手工记录快了大约10倍，使得1890年人口普查仅用了两年半便顺利完成，大大节省了时间与成本，为政府节约了超过百万美元。

Hollerith 的发明迅速引起商业界的注意。各行业开始意识到，类似的计算工具不仅能处理普查数据，也可以广泛应用于会计、保险评估、库存管理等劳动密集型与数据密集型任务，从而大幅提升效率和利润。为满足日益增长的商业需求，Hollerith 创办了 制表机器公司（Tabulating Machine Company）。1924年，该公司与几家其他设备制造商合并，正式更名为 “国际商业机器公司”——IBM。

这一系列创新不仅推动了企业管理的现代化，也使政府机构更高效地运作。可以说，这些早期的“商业计算机”开启了信息时代的序幕。而随着20世纪中叶全球人口爆炸和贸易全球化的浪潮到来，对数据处理的速度和灵活性提出了更高的要求，电子计算机的时代也因此应运而生。