計(jì)算機(jī)的前生：機(jī)械計(jì)算工具的演進(jìn)

算盤是計(jì)算機(jī)的起點(diǎn)，它其實(shí)是一臺(tái)“機(jī)械式半自動(dòng)化運(yùn)算器”。打算盤的“口訣”其實(shí)就是它的編程語言，算盤珠就是它的存儲(chǔ)器。

第二階段是可以做四則運(yùn)算的加法器、乘法器。1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡為了幫稅務(wù)官父親計(jì)稅，發(fā)明了一個(gè)機(jī)械式的加法器；1673年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨則發(fā)明了可做乘除法的乘法器。

計(jì)算機(jī)進(jìn)階到第三階段，是可編程織布機(jī)?？棽紮C(jī)跟計(jì)算有什么關(guān)系？織布工人在紙上畫出圖形，機(jī)器能讀懂、繡到布上，這個(gè)過程就叫作編程。在這一進(jìn)程中，1801年，杰卡德發(fā)明了首個(gè)可編程織布機(jī)——通過穿孔卡對(duì)織布機(jī)進(jìn)行編程。今天織布的印花還是這個(gè)原理。

第四階段是差分機(jī)。西方進(jìn)入大航海時(shí)代，人們航行中在編制航海、天文用表時(shí)，需要大量的人工勞動(dòng)。直到1837年，巴貝奇設(shè)計(jì)了差分機(jī)與分析機(jī)，雖然在工程上沒有徹底實(shí)現(xiàn)，但已經(jīng)可以完成非常復(fù)雜的計(jì)算，比如通過多項(xiàng)式逼近對(duì)數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)。

到了第五階段，人類歷史上第一次有了計(jì)算程序。1843年，世界上第一位程序員愛達(dá)——一位女性——設(shè)計(jì)了一個(gè)算法，用來計(jì)算伯努利數(shù)列的值。這是歷史上第一個(gè)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算的算法程序。

第六階段，機(jī)械計(jì)算工具到了頂峰。二戰(zhàn)期間，阿蘭·圖靈為了破譯密碼設(shè)計(jì)出“圖靈甜點(diǎn)”解碼機(jī)。這個(gè)解碼機(jī)的特點(diǎn)是，有非常好的計(jì)算能力和適應(yīng)性，因?yàn)榈聡O(shè)計(jì)的恩格瑪密碼機(jī)的密碼一直在變。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生與應(yīng)用

經(jīng)過這六個(gè)階段，至此機(jī)械式計(jì)算工具達(dá)到了工程技術(shù)積累的巔峰。但是，那時(shí)還沒有出現(xiàn)“電子計(jì)算機(jī)”。即便是“圖靈甜點(diǎn)”解碼機(jī)，也只是一類專用的計(jì)算機(jī)，每一個(gè)功能都要專門制造。

直到出現(xiàn)了三位偉大學(xué)者——阿蘭·圖靈、馮·諾依曼、威廉姆·肖克利，他們的發(fā)明奠定了現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)工程科學(xué)的三大基石，才最終誕生了通用電子計(jì)算機(jī)。

除了發(fā)明了“圖靈甜點(diǎn)”，圖靈后來又提出了“圖靈機(jī)”的設(shè)想，提出了能夠自動(dòng)執(zhí)行程序的通用計(jì)算裝置的科學(xué)原理，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖靈是個(gè)奇人。他曾在美國普林斯頓大學(xué)讀博士，二戰(zhàn)時(shí)期破譯恩格瑪密碼，后來他還跟愛因斯坦是同事。他還是一位世界級(jí)的長跑運(yùn)動(dòng)員，參加過馬拉松比賽。有一部電影名為《模仿游戲》，講述了他的傳奇人生。

1936年，圖靈為了解決“數(shù)學(xué)可判定”問題，發(fā)明了圖靈機(jī)——模擬人用紙筆計(jì)算的機(jī)器。根據(jù)圖靈提出的圖靈機(jī)模型，它主要由一條無限長的紙帶、一個(gè)讀寫頭和一些內(nèi)部狀態(tài)組成。紙帶被分成一個(gè)個(gè)小方格，每個(gè)方格可以包含一種符號(hào)（如0或1）。讀寫頭可以在紙帶上移動(dòng)，讀取和寫入符號(hào)，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀取的符號(hào)來改變自己的內(nèi)部狀態(tài)和移動(dòng)方向。圖靈機(jī)可以模擬任何算法的過程，是一個(gè)理論上的計(jì)算模型，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

馮·諾依曼首先提出了“存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理，并為圖靈機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)通用的體系結(jié)構(gòu)——將計(jì)算機(jī)分為輸入設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、輸出設(shè)備4個(gè)部分。有了馮·諾依曼的結(jié)構(gòu)，圖靈機(jī)就從一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)模型變成了工程師可以實(shí)現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)的問題。

1946年2月14日，人類歷史上真正意義的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了。它使用電子真空管來執(zhí)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，使用穿孔卡片來輸入數(shù)據(jù)和指令。ENIAC的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生，對(duì)人類社會(huì)的科技、經(jīng)濟(jì)和發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

光有電子計(jì)算機(jī)還不行，人們還希望它的運(yùn)算速度能夠不停地變快。

肖克利被譽(yù)為“晶體管之父”，他與兩位同事一起發(fā)明了晶體管。晶體管是能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)布爾代數(shù)的開關(guān)器件，也是我們建造現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之塔的“磚塊”。它的發(fā)明為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了更小、更快、更可靠的電子元件，取代了之前使用的真空管，使得計(jì)算機(jī)的體積和功耗大大降低，性能和可靠性大大提高。

在肖克利之后，杰克·基爾比又發(fā)明了集成電路。1958年，基爾比成功地創(chuàng)造出世界上第一個(gè)采用單一材料制成的集成電路，標(biāo)志著微電子時(shí)代的開始，對(duì)全球電子工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響?，F(xiàn)在我們最大的一顆芯片上，可以集成超過1000億個(gè)晶體管，這就是微電子集成電路的功勞，讓我們的計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行得越來越快。2000年，基爾比因集成電路的發(fā)明被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

有了計(jì)算機(jī)，接下來就是應(yīng)用的繁榮。全世界使用計(jì)算機(jī)的人們是依靠什么互聯(lián)互通的？互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)讓全世界任何一個(gè)人可以通過網(wǎng)絡(luò)跟世界通信?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)明離不開TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是由羅伯特·卡恩和文森特·瑟夫共同發(fā)明的。其中，TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）和IP（Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議）是該協(xié)議族中最核心的兩個(gè)協(xié)議。他們的這項(xiàng)發(fā)明對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并最終成為了大部分因特網(wǎng)共同遵守的一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。

雖然可以基礎(chǔ)通信，但英國計(jì)算機(jī)科學(xué)家蒂姆·伯納斯-李在歐洲核子研究中心工作時(shí)，意識(shí)到科學(xué)家們之間共享信息的方式非常不便，因此開始著手設(shè)計(jì)一種新的信息管理系統(tǒng)，這就是萬維網(wǎng)的前身。

伯納斯-李設(shè)計(jì)的萬維網(wǎng)系統(tǒng)包括三個(gè)核心組成部分：超文本標(biāo)記語言（HTML）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和統(tǒng)一資源定位符（URL）。HTML用于創(chuàng)建和格式化網(wǎng)頁內(nèi)容，HTTP用于在Web服務(wù)器和瀏覽器之間傳輸數(shù)據(jù)，而URL則為互聯(lián)網(wǎng)上的每個(gè)資源提供了一個(gè)唯一的地址。

1990年，伯納斯-李成功開發(fā)出第一個(gè)Web瀏覽器和Web服務(wù)器，使得用戶能夠在萬維網(wǎng)上查看和發(fā)布信息。這一發(fā)明為互聯(lián)網(wǎng)的普及和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從此，人類進(jìn)入了數(shù)字文明的新時(shí)代。

中國計(jì)算科學(xué)家的歷史貢獻(xiàn)

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，有三位中國科學(xué)家貢獻(xiàn)很大。

第一位是我們中國計(jì)算機(jī)學(xué)科的創(chuàng)始人、被譽(yù)為“中國計(jì)算機(jī)之母”的夏培肅先生。她是我國第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)的通用電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明人，還培養(yǎng)了一大批人從事計(jì)算事業(yè)。BBC專門撰寫了一篇文章，紀(jì)念夏培肅先生。

第二位是中國工程院院士金怡濂先生。作為我國巨型計(jì)算機(jī)事業(yè)的開拓者之一，他在半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，先后提出多種類型、各個(gè)時(shí)期居國內(nèi)領(lǐng)先或國際先進(jìn)水平的大型、巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方案，并組織科技人員共同刻苦攻關(guān)、予以實(shí)現(xiàn)。他是“神威”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)師，使我國高性能計(jì)算機(jī)峰值運(yùn)算速度從每秒10億次跨越到每秒3000億次以上。

第三位是我國兩院院士、國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者王選先生。他是計(jì)算機(jī)漢字激光照排技術(shù)的創(chuàng)始人，被稱為“漢字激光照排系統(tǒng)之父”。他主持研制成功的漢字信息處理與激光照排系統(tǒng)、方正彩色出版系統(tǒng)得到大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了我國出版印刷行業(yè)“告別鉛與火，邁入光和電”的技術(shù)革命。

再提一下中國工程院院士李國杰先生。

曾經(jīng)，有一座罩住我們的“玻璃房子”。20世紀(jì)80年代，我們國家在計(jì)算機(jī)超算方面還很落后，我們好不容易從美國買來一部超級(jí)計(jì)算機(jī)，美國人還用玻璃房子把機(jī)器罩在里面，并實(shí)施 24 小時(shí)全方位監(jiān)控，而且連進(jìn)出門的鑰匙和啟動(dòng)密碼也由美方掌控，中國人不允許進(jìn)入玻璃房子。

這對(duì)中國的科學(xué)家而言是一個(gè)恥辱。李國杰院士回國后帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，研制了“曙光”機(jī)群系統(tǒng)，并逐步實(shí)現(xiàn)了高性能計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)在，我們無論是大學(xué)、研究所還是企業(yè)，都有最快的高性能計(jì)算機(jī)使用，就在于我們走通了高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新道路。

今天，我們有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新區(qū)鹿溪智谷核心區(qū)有一個(gè)網(wǎng)紅打卡地，那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”的景觀玻璃房。這里邊裝的高性能計(jì)算機(jī)，就是電影《流浪地球2》中依靠液冷散熱的550W的原型。

未來計(jì)算技術(shù)的兩個(gè)方向

計(jì)算技術(shù)的未來，有兩個(gè)方向是人們比較關(guān)注的。

一是，到2035年，我們能不能造出Z級(jí)計(jì)算機(jī)？

Z級(jí)計(jì)算機(jī)中的Z，代表計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度達(dá)到每秒10的21次方次浮點(diǎn)運(yùn)算。我們現(xiàn)在能達(dá)到E級(jí)計(jì)算，即10的18次方次。

高性能計(jì)算機(jī)提速的背后，有幾個(gè)要解決的重大問題，比如“能耗墻”。怎么樣降下來能耗，是世界級(jí)難題?，F(xiàn)在，我們主要通過器件結(jié)構(gòu)或工藝來提升能效，包括高密度的集成封裝，當(dāng)然，如果高溫超導(dǎo)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)降低能耗。另外，還有“光子計(jì)算”，也有望降低能耗。

第二個(gè)方向，量子計(jì)算機(jī)。許多人看過電影《流浪地球2》后都在問，類似于550W或者“MOSS”能不能被制造出來？量子計(jì)算機(jī)主要是并行計(jì)算，所以它的速度、性能充滿想象空間。

我認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，至少也需要6個(gè)步驟，但是現(xiàn)在我們的科學(xué)家們只知道前三個(gè)步驟該怎么做，后面三個(gè)步驟還沒有頭緒。第一步，人們已經(jīng)做出來了“量子算盤”——用量子計(jì)算的原理對(duì)某一特定問題進(jìn)行加速，比如谷歌公司做出來的量子計(jì)算機(jī)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)做出來的“九章”，已經(jīng)可以在量子采樣算法上顯示了“量子優(yōu)越性”。至于第二步，“量子運(yùn)算器”，就是要對(duì)一類科學(xué)問題能夠進(jìn)行求解?，F(xiàn)在在這一步還存在技術(shù)挑戰(zhàn)，比如量子存儲(chǔ)要克服量子體系量子態(tài)可存儲(chǔ)時(shí)間極短的問題，量子隨機(jī)訪存尚無實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的情況等等。

量子計(jì)算的第三步，領(lǐng)域?qū)Ｓ玫牧孔佑?jì)算機(jī)，需要實(shí)用的量子算法、量子編程框架、量子編譯優(yōu)化、量子指令集、量子微體系結(jié)構(gòu)、量子糾錯(cuò)碼、底層物理芯片……我們希望在2050年前能完成這一步，構(gòu)成一個(gè)完整的量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)體系。當(dāng)然，即便到了這一步，距離電影中的550C都還非常遙遠(yuǎn)，這需要更多的年輕人投身到這個(gè)領(lǐng)域來共同努力。今天，人類已經(jīng)進(jìn)入到了人—機(jī)—物三元融合的世界，未來的信息世界，也要靠大家一起來創(chuàng)造。