电子计算机的诞生

楚泽是一位数学基础非常好的德国工程师。大学毕业后，他在一家飞机制造厂从事飞机设计工作，这项工作涉及大量烦琐的计算，而当时真正能帮上忙的工具只有计算尺。楚泽发现很多计算其实使用的公式都是相同的，只需代入不同的数据即可，这种重复的工作似乎可以交给机器去完成。有了这个想法后，1936年，26岁的楚泽干脆辞职专心研究这种机器。

楚泽并没有多少关于计算机的知识，虽然当时图灵（Alan Mathison Turing，1912—1954）已经提出了计算机的数学模型，但是楚泽对此一无所知。不过，楚泽知道布尔代数，并将它用于计算机的设计。他想到了用二值逻辑控制机械计算机的开关，搭建起了实现二进制运算的简单机械模块，然后再用很多这样的模块搭建起了计算机。1938年，楚泽独自一人研制出了由电驱动的机械计算机，代号Z1。这台计算机拥有今天计算机的很多组成部分，比如控制器、浮点运算器、程序指令和输入输出设备（35毫米打孔胶片）。更重要的是，Z1是世界上第一台依靠程序自动控制的计算机，在计算机发展史上是一个重大突破。此前的各种计算机无论结构多么复杂、动力来自人还是电，都无法自动运行程序。

楚泽接下来又研制出采用继电器代替机械的Z2计算机，以及能够实现图灵机全部功能的Z3计算机。虽然楚泽研制的几台计算机的工作效率和不久之后美国人研制的电子计算机相去甚远，但是它们仍然具有划时代的意义。它们改变了在巴贝奇时代计算机越来越复杂的设计理念，通过编程把复杂的逻辑变成简单的运算，这才让后来的计算机能够不断进步。遗憾的是，楚泽毕竟不是理论家，无法将他的工作上升到理论的高度。在理论上解决电子计算机问题还要靠香农、图灵和冯·诺伊曼（John von Neumann，1903—1957）等人。

今天，香农主要是作为信息论的提出者而被大家熟知，当然，他还有一大贡献，就是设计了能够实现布尔代数，也就是用二进制进行运算和逻辑控制的开关逻辑电路。今天，所有的计算机处理器里面的运算功能，都是由无数个开关逻辑电路搭建出来的，就如同用乐高积木搭出一个复杂的房子一样。香农是什么时候提出这个理论的呢？是1937年他做硕士论文的时候，当时他只有21岁。香农的那篇论文《继电器与开关电路的符号分析》后来也被誉为20世纪最重要的硕士论文。

▲图9.5 楚泽的Z3计算机复制品，收藏于德意志博物馆

香农解决了计算本身的问题，而图灵解决了一个更重要的问题——计算机的控制问题。1936年，年仅24岁的图灵用一种抽象化的数学模型描述了机械进行计算的过程，这个数学模型就是图灵机。至此，计算机的数学模型便准备好了。

▲图灵机本身并不是具体的计算机，而是为后来各种计算机划定的一种设计原则。在图灵机被提出7年之后，即1943年，美国出于战争的需要，开始研制世界上第一台电子计算机，以帮助解决长程火炮中的计算问题。美国军方将这个任务交给了宾夕法尼亚大学的教授莫奇利（John Mauchly，1907—1980）和他的学生埃克特（John Eckert，1919—1995）。他们研制出的那台计算机的代号为埃尼亚克。

在埃尼亚克之前，人类研制的计算机都是为了特殊运算，并不是用于解决通用计算的问题。同样，莫奇利和埃克特在设计人类第一台电子计算机时也是为了计算火炮的弹道，而把它设计成了专用计算机。所幸的是，一件偶然的事让人类在计算机发展过程中少走了很多弯路。1944年，也就是埃尼亚克项目启动一年之后，当时正在研制氢弹的冯·诺伊曼听说了莫奇利和埃克特正在研制计算机。因为冯·诺伊曼需要解决大量计算的问题，所以也参与到电子计算机的研制中。这时，冯·诺伊曼等人发现，埃尼亚克除了计算弹道轨迹，无法进行其他的计算，而这时设计已经完成，并且建造了一半，因此只能按原来的设计继续做下去。不过与此同时，美国军方决定按照冯·诺伊曼的想法再造一台全新的、通用的计算机。于是，冯·诺伊曼和莫奇利、埃克特一起，提出了一种全新的设计方案：爱达法克（electronic discrete variable automaticcomputer，EDVAC，离散变量自动电子计算机）。1949年，爱达法克被制造出来，并投入使用，这才是世界上第一台通用的电子计算机。

▲图9.6 埃尼亚克计算机

事实上，埃尼亚克研制出来的时候已经是1946年，这时二战已经结束一年，再也不需要计算火炮的弹道轨迹了，因此它的象征意义大于实际意义。埃尼亚克是个庞然大物，重量超过30吨，占地160多平方米，使用了2万多个电子管、7000多个晶体二极管、7万多个电阻和1万多个电容，以及约500万个焊接头，耗电量大约是15万瓦。当时它一启动，周围居民家的灯都要变暗。埃尼亚克的运算速度是每秒5000次，虽然只有今天智能手机的百万分之一，但是当时大家都觉得它已经非常快了，于是观看计算机演示的英国元帅蒙巴顿（Louis Mountbatten，1900—1979）称它是“电脑”，电脑一词由此而来。

埃尼亚克之所以能比过去的机械计算机和继电器的计算机快上千倍，最根本的原因在于，哪怕再小的物体，机械运动本身也具有惯性，克服这个惯性不但需要大量的能量，而且往返运动的频率不可能太高；而电子质量（或者说能量）非常小，控制它们的运动容易得多，运动频率也很容易达到机械物件的上百万倍。从此，电子产品开始全面取代机械产品。