電腦演進
初寫:2003.09.25, 更新日期:
 
作者:曾聖超老師     【字體: 】【列印
 
人類在計算器上的進展,從東方歷史來看,
紀錄大多是從 " 算盤(abacus) " 發展開始,
其實,中國在更早還有所謂 "籌策" 的計數工具,是一種用竹子、木片等材料製成以方便攜帶;
據傳最早的算盤發明,稱為「珠算盤」,
在東漢徐嶽的「數術記遺」中,曾以文字記載" 算盤 "計算的使用方式(林炎全,民86),
宋代謝察微所著的《算經》也提及" 算盤 "(毛憲民,2004),
而這類算盤的發明,算是早期的計算工具。


  (1-4珠, 珠算:1~100撥法)

可惜的是,儘管有計算尺、算盤等工具開發(約三千年前),
東方對計算器的研究腳步似乎就停留在這個階段,沒有再繼續發展下去。

西方在1642年,法國數學家巴斯卡(Blaise Pascal),
利用齒輪機械轉動的原理,做出可轉動來進位的計算機器,發明第一部 的加法機。

1672年,德數學家萊布尼茲(Leibniz),根據巴斯卡的研究,製作出可反覆加法的乘法器。

1820年,法國湯瑪斯(Charles-Xavier Thomas),改良Leibniz乘法器,做出可加減乘除的計算器。


1822年,查爾斯•巴貝奇(Charles Babbage),一位英國有創新思想的數學家,向英國皇家天文學會提出一篇「機器在數學表計算中的應用」論文,希望以機器 的自動運作計算,取代之前以人工計算數學的方式來製表,發明以固定程序推動(如:蒸汽機動力),可自動作計算的機器,稱為差分機(Difference engine);當時英政府和他合作,由政府出資,與工匠Joseph Clement來協助打造,但因為太多精密零件都需手工打造,加上巴貝奇一邊改規格一邊修正,導致工程延宕,預算超支了十倍, 以致英政府後來在1842年停止與巴貝奇的這項計畫,使得這部機器沒能完成;以現在計算機的角度來看,差分機是一台針對多項式求值的機器,可計算到一元N次多項式(當時和政府合作時,巴貝奇完成部分,約只能計算到六位數、二次差分的計算)。

1846~1849年間,巴貝奇因為和英國政府終止了合作,而沒了經費,合作失敗導致一些相關零件被回收鎔鑄,所以沒有留下實際可運作的機器。後來他重新撰寫設計,提出了能以31位數、最高到七次方的改良第二版差分機(Difference engine No.2),由於也沒有經費來打造實物,只留下寶貴的手稿設計紀錄!然而,巴貝奇的紙上設計是否真的可行?在學界一直有很大 的爭議,直到1991年,倫敦科學博物館根據其1849年的手稿設計,將這台差分機二號重新建造,發現真的能運作 和計算,才奠定巴貝奇的歷史地位。
後來的老巴,並沒有因為先前差分機的挫敗而放棄,在1833年,老巴又重新思考,一個更強、且是一種能通運的 計算機器,稱為分析機引擎(Analytical Engine),不只如差分機只能累積計算多項式,而是希望要能有計算、儲存等功能,機器的設計甚至有辦法進行條件分支、重複結構、平行處理等概念,還 要可以印刷、打卡、繪圖等方式輸出,跟後來出現的電腦結構概念相當符合,終其一生最後還是沒能完成,停留在紙上的設計 ,留給世人繼續努力。


1842年,艾達(Ada Lovelace, 或稱Ada Augusta),和巴貝奇在1833相識,協助巴貝奇將讓機器能依照計算指令或算法去運作 ,在她的一些手稿中,也記錄如果babbage的分析機引擎能完成的話,可利用其機器計算伯努利數列的值,儘管 當初巴貝奇分析機的設計是機械而非二進位制,計算上也使用十進位,但已經具備現代電腦相當程度的雛形。

1880年,美國的何樂禮(Herman Hollerith)利用卡片打孔,機器感應讀卡,協助調查局完成美國人口普查的工作。
1936年,艾倫・圖靈(Alan Turing)提出圖靈機(Turing Machine)的概念,圖靈機是一個抽象的運算模型,意在利用機器模擬人用紙筆進行數學計算的過程,而非實際的機器 ,而依照圖靈機發展的通用圖靈機(Universal Machine)的想法,可執行任何人設計出的系統程序。

  1. 第一代(1941-1959) (約18年)
    • 主要構成元件:真空管
    • 主記憶體:磁蕊(Core memory)
    • 代表電腦有三:
      1. ABC (Atanasoff-Berry Computer): 1937-1942年,
      美國John V. Atanasoff和助手貝利(Berry)完成的第一部實驗用電子計算機。

      2. ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): 1946年,
      美賓州大學J. W. Mauchly和J. P. Eckert,
      為軍方設計研究計算彈道使用,
      使用約17468支真空管,
      體積龐大,佔地約167平方公尺,
      可以寫程式、編譯,
      世界上第一台的電子計算機(電腦)(ENIAC:The first computer)。

      3. EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator):1949年,
      美國 約翰•范紐曼(John von Neumann)所研究製造的內儲式電子計算機,
      他認為指令程式應該儲存在計算機內部,並提出了內儲程式概念。

    • 語言發展:機器語言、組合語言
    • 說明
      此世代電腦,運算速度約在10-3秒,
      一秒鐘約可完成千次的加法運算。
      參考:Computer History Museum, ENIAC線上博物館

  2. 第二代(1957-1963) (約7年)
    • 主要構成元件:電晶體(Transistor)
    • 主記憶體:磁蕊(Core memory)
    • 代表電腦:TX-O, TRADIC
    • 運算速度: 10-6
    • 語言發展:FORTRAN、COBOL

  3. 第三代(1964-1970) (約6年)
    • 主要構成元件:積體電路((Integrated Circuit,簡稱IC)
    • 主記憶體:IC
    • 代表電腦:IBM360、CDC7600、PDP-8、UNIVAC 9000系列.
    • 語言發展:C、BASIC
    • 說明:
      將電晶體、二極體、電容、電阻等電路功能元件,
      做進半導體晶片表片,將電路小型化後封裝到一個IC中,
      速度可達奈秒nano second 簡稱ns,為10-9 秒。

      依照微電子元件做進去的數量等級,積體電路IC分類為:
      小型積體電路 SSI (Small Scale IC):100個以內.
      中型積體電路 MSI (Middle Scale IC):1000個以內.
      大型積體電路 LSI (Large Scale IC):100,000(十萬)個內.
      超大型積體電路 VLSI(Very Large Scale IC):100萬個 內.

  4. 第四代(1970 - 現在)
    • 主要構成元件:大型積體電路VLSI (Very Large Scale Integration)
    • 主記憶體:半導體
    • 代表電腦:IBM PC, Apple II, UNIVAC1100/80
    • 語言發展:C++, Perl, Java, VB

  5. 第 N 代 (未來) ?
    • 主要構成元件:
      ULSI (Ultra Large Scale Integration, 1億)、
      GSI (Giga Scale Integration, 10億).
    • 光學系統、光纖、奈米科技
    • 應用:AI人工智慧、決策系統

ENIAC

ENIAC (圖取自Wiki)

EDSAC

真空管
真空管
真空管 電晶體
IC
IC


VLSI(486CPU)


馬克一號(Harvard MARK I)


參考資料:
  • 林炎全(民86)。中國數學課程的演變。數學傳播,21卷,3期,頁31-44。
  • 毛憲民(2004)。故宮珍藏的清宮算盤。中國文物報。
  • The Modern History of Computing (2000). https://plato.stanford.edu/entries/computing-history/
  • About Charles Babbage. https://users.cs.cf.ac.uk/MorganJE11/charles_babbage/about.html
  • Andy Yang(2011). 查爾斯.巴貝奇的差分機與分析機. https://chinese.engadget.com/2011/04/27/charles-babbages-difference-and-analytical-engines/
  • Alan Turing (Digital 60). Alan M. Turing (1912 - 1954). http://curation.cs.manchester.ac.uk/digital60/www.digital60.org/about/biographies/alanturing/index.html
  • Copeland, B. J. ,& Proudfoot, D.(2004). http://www.rutherfordjournal.org/article040101.html
  • The history of the computer. Tertiary-level Teaching, Robert Gordon University. http://www2.rgu.ac.uk/celt/pgcerttlt/making/making2.htm