20世纪，这是一个悲伤的世纪，又是一个充满激情与创意的世纪，还是一个英雄辈出的时代，更是一个技术门派不断兴替的江湖。江湖为什么精彩？因为江湖中有英雄，有起伏跌宕的人生，有数不尽的传说！

 

关注风云之声提升思维层次导读书接上回：一篇读罢头飞雪：计算机发展时间线（上）| 跟陶叔学编程欢迎来到20世纪，这是一个悲伤的世纪，发生了两场世界大战这又是一个充满激情与创意的世纪，我们熟悉的各种科学理论与科技产品纷纷出现，二进制运算、量子力学、电子管、晶体管……奇思妙想不断闪耀光芒。

这还是一个英雄辈出的时代，范内瓦、图灵、香农、冯·诺依曼……正排着队向我们走来这更是一个技术门派不断兴替的江湖，机械派、机电派、电子派……你方唱罢我登台江湖为什么精彩？因为江湖中有英雄，有起伏跌宕的人生，有数不尽的传说！。

注：风云之声内容可以通过语音播放啦！读者们可下载讯飞有声APP，听公众号，查找“风云之声”，即可在线收听~　　因本文篇幅较长，所以我试着编了回目：第一回 马可尼跨洋发报，电子管上台鞠躬第二回 范内瓦模拟计算，图灵机开辟宗门

第三回 Model K二制运算，香农爷理论奠基第四回 师徒首用电子管，维纳提出五原则第五回 祖思机命运多舛，少年郎春风得意第六回 诺依曼指明道路，范内瓦畅想未来第七回 ENIAC精彩亮相，晶体管雏凤新声

第八回 两书生商场饮恨，直拉法晶圆现世第九回 学科祖魂归天界，双子星降临人间第一回 马可尼跨洋发报，电子管上台鞠躬20世纪1900年，奥德纳算术仪的销量超过了托马斯算术仪至奥德纳的工厂于1918年关闭，30年不到的时间里它生产了约23000台机器。

1901年，意大利发明家伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi，1874年4月25日—1937年7月20日）发射的无线电信息成功地穿越大西洋，从英格兰传到加拿大的纽芬兰省。

1901年，马可尼演示无线电设备这次表演是无线电从实验室走向商业化的标志性事件，也是马可尼为自己的无线电公司打的一个非常成功的广告从此，他的“马可尼无线电报公司”一鸣惊人，赚得盆满钵满但是马可尼此时接收无线电使用的检波器是十分落后的“金属屑”检波器（检波是调幅的逆过程，其频谱搬移与调幅相反，即把调幅波的频谱由高频不失真地搬到低频），性能很差亟需改进。

金属屑检波器1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming，1864年11月29日—1945年4月18日）利用爱迪生效应发明了电子管（或真空管），结构和爱迪生的灯泡类似，因为有两个电极（涌出电子的灯丝为阴极，接收电子的金属片为阳极）而被称为电子二极管（或真空二极管）。

当阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，二极管导通，表现为没有电阻的导线；反之，二极管不通，表现为一个没有合上的开关由于这样单向导通的特性，电子二极管主要用作交流电整流器（把交流电转换成直流电的装置）和无线电检波器。

弗莱明及其电子二极管1905年，据当时统计销轮计算器的历史总产量已有数百万台，并持续增长到70年代电子计算器普及为止1906年，美国发明家李·德福雷斯特（Lee de Forest，1873年—1961年）在二极管的灯丝和金属片阴阳两极之间增加一个电极——一根波浪形的金属丝（后来金属丝被改成金属网），称为栅极（Grid），加上原来的阴极、阳极，真空玻璃管内就有了三极。

就这样他发明了电子三极管

德福雷斯特及其三极管德弗雷斯特惊讶地发现，波浪形金属丝装入真空管内之后，只要把一个微弱的变化电压加在它之上，就能在阳极接收到更大的变化电流，而且变化频率完全一致——德弗雷斯特发现的正是三极管的“放大”作用。

但是当时的人们并没有马上认识到三极管具有的重大意义，把它当作一个“毫无价值的玻璃管”为了证明自己的发明有用，德弗雷斯特坚持不懈地设计着各种试验同年，霍尔瑞斯给制表机添加了接插线板（plugboard）——一块布满导电孔的板卡，可通过改变导线插脚在板上的位置改变线路逻辑。

这是因为原来的制表机线路是固定的，遇到新的统计任务，改造起来十分麻烦而接插线板的内部已经布好了具有各种功能的线路，但它们都处在断开状态，各自连接着接插线板上的某两个孔位，线路就被导通以后这部分功能才会运行。

这是对可编程性需求的一种最低程度的支持

接插线板1912年，德弗雷斯特来到加利福尼亚旧金山附近的帕洛阿托小镇在爱默生大街913号小木屋，德弗雷斯特把若干个三极管级连起来，即上一个三极管的输出作为下一个的输入，再把电话机话筒接入第一个三极管的栅级，最后一个三极管的阳极与耳机相连。

当他把自己的手表放在话筒前方时，手表的“滴哒”声几乎把戴着耳机的耳朵震聋成功了！三极管可以用作通信中的电信号放大器帕洛阿托市的德弗雷斯特故居，至今依然矗立着一块小小的纪念牌，以市政府名义书写着一行文字：“李·德弗雷斯特在此发现了电子管的放大作用。

”用来纪念这项伟大发明为新兴电子工业所奠定的基础这个城市，如今已成长为全球闻名的硅谷　　二极管中，与电源正负极的相连本质上造就了阴极与阳极之间的电压差，与电源正极相连总能获得更高的电压水往低处流，电流也一样，从高压的地方流向低压，可电子却不是，它总爱从低压的地方挪向高压，因为它带负电荷，所以要跟我们的常识反着来。

那么，有么有可能通过增加电源和电极，以产生更多不同的电压差，从而实现更复杂的功能呢？还真有栅极的表现与阳极十分类似，其作用取决于它和阴极之间的电压差当施加在栅极上的电压比阴极低时，从阴极发射的部分电子将受到阻碍而无法到达阳极，栅极上的电压比阴极低得越多，这种阻碍效应就越大，直至完全阻隔；反之，当栅极上的电压比阴极高时，它反而开始吸引电子，助阴极一臂之力将更多电子传到阳极。

结果是，稍微改变一下栅极上的电压，就可以对阳极上的电压产生很大影响，因而三极管常用作无线电通信中的信号放大器

三极管阻断（左）和导通（右）原理电路1912年，刚成立的门罗公司开始商业化生产鲍德温的销轮计算器1913年7月，经过一番谈判，最终德福雷斯特把他的真空三极管专利以39万美元的价格卖给了美国电话电报公司（AT&T）。

作为电信号放大器，三极管不管对于无线电通信还是长途有线电话通信都有极大的价值1914年，菲尔特出版了一本厚达600页的专著——《Applied Mechanical Arithmetic as practised on the Comptometer》，提供了各种主流计算问题的最佳算法。

菲尔特不仅开辟了按键计算器市场，还诱发了另一个配套行业的兴起——计算仪培训由于人机交互方式从手摇到按键的根本性变革，解决计算问题的操作步骤和技巧也与以前有了很大不同菲尔特认为，本身只提供加减功能的计算仪更像一款通用型工具，只有掌握了丰富的算法，才能应对各领域复杂的计算问题。

到20年代晚期，全美一共涌现了超过百家计算仪的培训学校，加上其他国家的学校，平均每年约有2万名毕业生成为合格的计算仪操作员（comptometrist），支撑起日渐繁荣的机械计算时代1914年~1918年

，因为在无线电等技术中的应用，一战中西方电子公司（Western Electric，AT&T的供应商）为美军生产了50万支电子管在1918年一年内，美国制造了100多万支电子管，这已经是战前的50多倍同样在一战期间

，矿石检波器在无线电接收机中也得到了大量应用矿石检波器一般是用方铅矿或者黄铁矿来作为核心部件找一小块矿石，然后用针扎到矿石上，矿石本身就能完成检波的作用使用矿石检波器的无线电接收机，不需要电源就可以使用。

美军BC-14A型军用接收机，右图中心位置是矿石检波器　　实际上，矿石检波器起到的作用和真空二极管是相同的，但是内部原理和真空管完全不同矿石检波器的好处是结构简单，使用时不需要通电也不用加热，经久耐用但是矿石检波器的调试需要工程师不断的寻找探针接触的位置。

针扎在哪里效果最好，这全靠人一点一点去测试因此矿石检波器的品控非常难　　矿石能起到检波的作用，这是因为它是个天然半导体半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料半导体的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应。

矿石检波器就是对半导体整流效应的一种简单应用1924年，CTR制表机公司更名为IBM，全面进入计算机领域1925年1月1日，AT&T总裁华特·基佛德（Walter Gifford）收购了西方电子公司的研究部门，成立一个叫做“贝尔电话实验室公司”的独立实体（AT&T和西方电子各拥有该公司的50%的股权）。

再后来，这个公司改名为贝尔实验室同年10月2日，英国发明家约翰·洛吉·贝尔德（John Logie Baird，1888年8月13日—1946年6月14日），

采用机械扫描的方法，经过上百次的反复尝试，在影像接收机中看到自己玩偶比尔的脸。

最早传输的电视图像贝尔德的发明思路是把图片分解成无数的小点，通过改变小点的位置来改变图像，最终让图片运动起来由于经费不足，贝尔德收集了大量破旧的零件来制造机器他的机箱外框是盥洗盆制作的，电动机是垃圾堆捡来的，“扫描圆盆”是用马粪纸自制而成，投影灯固定用的是饼干盒子，像霓虹管、加热棒等大部分电子元件都来自报废电台。

贝尔德和他发明的半机械式电视机1928年，德国物理学家、量子力学创始人之一马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日—1947年10月4日，就是那个普朗克常数）在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论。

能带论第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体

马克斯·普朗克　　随后在1931年，英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson，1869年2月14日—1959年11月15日）在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型。

威尔逊模型相当完好地说明了与体内性质有关的半导体的行为特征，它奠定了半导体学科的理论基础1939年，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов，关于达维多夫的资料太少了！）、英国物理学家内维尔·莫特（Nevill Francis Mott，1905年9月30日—1996年8月8日）、德国物理学家华特‧肖特基（Walter Hermann Schottky，1886年7月23日—1976年3月4日）各自独立地提出了解释金属—半导体接触整流作用的理论。

达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”　　就这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，大体上确立半导体器件发展的理论背景。

第二回 范内瓦模拟计算，图灵机开辟宗门1930年，美国麻省理工学院和哈佛大学的博士范内瓦·布什（Vannevar Bush，1890年3月11日—1974年6月26日），在一些工程技术人员的协助下，试制出一台微分分析仪的样机。

范内瓦研制计算器的初衷是为了求解与传输电路有关的微分方程那时为了求出一个方程的解，演算工作量大得惊人，常常冥思苦想好几个月，浪费掉几百张草稿纸也得不出答案有一天他突然冒出个想法，与其再这样因为计算耗费时间，不如制作一台计算装置帮助求解更合算。

完成的微分分析仪是一台“大型”计算机器，说它是“大型机”并不为过，因为这台机器自重超过了100吨，占地约几十平方米它与现代的计算机很不一样，它没有键盘，看起来像好多个台球桌，又有点像印刷机装备着数百根平行的钢轴，需要用一系列电动机驱动。

一个参观过微分分析仪的人曾挖苦说，必须“一手拿扳手，一手拿改锥”才能操作机器进行计算但当时它却让麻省理工学院的科学家们兴奋不已，因为他们终于有了求解数学难题的有力武器

　　微分分析仪是第一台模拟计算器前面介绍的计算器都是属于数字计算器（不管它是机械的，还是电子的），这条道路是由帕斯卡提出差分思想后开辟的，即将各种函数用幂级数展开方式转换为多项式，将函数运算最终变为相乘与相加。

在求微积分时也是同样的思路，以差分代微分，以求和代积分，总之是以有限代无限而模拟是用一种物理量来表征另一种物理量，就好比我们测体温的水银温度计，就是一个典型的模拟设备，温度有多高，水银高度就成比例地有多高。

模拟计算器则是由想要解的方程支配的物理系统在给出初始条件后，模拟计算器的变量随时间变化，其结果就是该方程的解微分分析仪是用钢轴的连续转动来模拟变量的变化，从而运算得出最终结果　　在试制出第一台样机后，范内瓦又采用电子元件来取代某些机械零件，成为“洛克菲勒微分分析仪2号”。

但总的来说它仍然是一台机械式的计算装置这种机器至少被人仿造出5台，在第二次世界大战中，美军曾广泛用它来计算弹道射击表而英国也用它来计算德军V-2导弹的弹道表，发挥了重要的作用现今在麻省理工学院和伦敦博物馆里，还各收藏着一台不太完整的这种机器，但都已不能正常运转了。

1931年，IBM推出IBM 601机。这是一台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算器。这台机器无论在自然科学还是在商业意义上都具有重要的地位。大约造了1500台。

1936年，英国数学家阿兰·图灵（Alan Turing，1912年—1954年），发表了在计算机发展历史上影响深远的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》，提出了使其成为“计算机科学之父”的图灵机

　　逻辑结构上图灵机由四个部分组成：一个无限长的存储带带子由一个个连续的存储格子组成，每个格子可以存储一个数字或符号一个读写头读写头可以在存储带上左右移动，并可以读、修改存储格上的数字或符号内部状态存储器。

该存储器可以记录图灵机的当前状态，并且有一种特殊状态为停机状态控制程序指令指令可以根据当前状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作（左移还是右移），并改变状态存储器的值，令机器进入一个新的状态或保持状态不变。

　　或者可以将图灵机总结为四大集合，即：输入集合、输出集合、内部状态集合和程序指令集合。

　　图灵机提供了一个这样的解决问题的思路：问题从简单到复杂，都可以通过分别增加机器4个部分的丰富程度来解决——存储带符号类型更多，读写头输出符号类型更多，状态存储器状态更多，控制程序指令组合更多我们根据要解决的不同问题可以设计出具有各种功能的图灵机，其中控制程序指令组合实质就是编程。

图灵想到，如果把控制程序指令组合信息（可以称为策略）以统一的格式写成符号串，放在纸带的头部，再将图灵机设计成能在运行开始时从纸带上读取这些策略（也就是通过第1和第2部分的操作，对第3和第4部分进行初始化），那么针对不同的任务，就不需要设计不同的图灵机，而只需改变纸带头部的策略即可。

这种能靠纸带制定策略的图灵机，称为通用图灵机UTM（universal Turing machine）如今的所有通用计算机都是图灵机的一种实现，两者的能力是等价的当一个计算系统可以模拟任意图灵机时，我们称其是图灵完备的（Turing complete）；当一个图灵完备的系统可以被图灵机模拟时，我们称其是图灵等效的（Turing equivalent）。

图灵完备和图灵等效成为衡量计算机和编程语言能力的基础指标如今几乎所有的编程语言都是图灵完备的，这意味着它们可以相互取代，一种语言能写出的程序用另一种也照样可以实现　　图灵这篇论文的本意是提出一个模型来解答数学上的判定问题。

判定问题是数理逻辑中的一个重要问题它表现为寻求一种可行的方法、一种机械的程序或者算法，从而能够对某类问题中的任何一个在有穷步骤内确定是否具有某一特定的性质图灵在论文中证明了没有任何机器可以解决所有数学问题（图灵机存在“停机问题”无法从根本上解决），却同时也证明了机器可以完成所有人类能完成的计算工作。

图灵首次阐明了现代计算机原理，从理论上证明了现代通用计算机存在的可能性图灵回答了判定问题，更参透了数学和计算机的本质关系——计算机是为解决数学问题而诞生的，却又基于数学，因而数学自身的边界也框定了计算机的能力范围。

从图灵开始，计算机有了真正坚实的理论基础，更多人开始投身计算机的理论研究，而不仅是尝试构建一台机器从如今的应用来看，图灵机之于计算机领域的价值远高于数学领域，毕竟判定问题还有许多其它解答，但计算机的原始公式，只有图灵机这一个。

（数学才是数学家真正追求的快乐，计算机只是他们的副产品！）同年，德国工程师康拉德·祖思（Konrad Zuse，1910-1995）从建造军用飞机的亨舍尔公司辞职。

因为祖思负责飞机在飞行过程中的受力分析，要解各种各样的微分方程这份在外人眼中的高智商工作，在祖思看来却无异于体力劳动，他被大量的重复运算损耗着精力，无暇顾及更有价值的创造性设计尽管办公桌上配有一台当时先进的手摇计算器，但他仍然觉得很不方便。

他决定建造一台更便捷的计算机器他的父母十分开明，把整个客厅腾出来作为他的工作室同年，苏联科学家Vladimir Lukyanov打造了液压积分器（Hydraulic Integrator）的第一台原型机。

制造它的目的是为了研究和计算铁路桥梁的混凝土，在不同温度下开裂的相关数据它是世界上第一台可以求解偏微分方程的计算器，它更大的独特之处是用水作为计算载体：水箱中液位高度代表数据若干水箱间用各种水管连接，不同的水管出水的压力不同，再用它们作为变量实现运算。

不同于别的计算机叫做电脑，它被称为“水脑”从原理可以得知，这是一种机械式模拟计算设备

现存于莫斯科理工博物馆的液压积分器在此基础上，1941年，Lukyanov又采用模块化的设计理念，对其进行改进，甚至五十年代还进行了量产直到70年代，这种计算器依然在苏联的115个工厂、研究院所服役，后逐渐被数字电子计算机所取代。

第三回 Model K二制运算，香农爷理论奠基1937年的某一天，贝尔实验室研究员乔治·斯蒂比茨（George Robert Stibitz，1904年—1995年），

他觉察到继电器的开闭状态与二进制之间的联系。于是他找来两节电池、两个继电器和两个小灯泡，然后从易拉罐上剪下一个U形触片，用电线把它们连成了一个最简单的二进制加法电路。

实现的效果是：按下触片B，灯泡L2亮；按下触片A，灯泡L2亮；同时按下A和B，灯泡L1亮（进位）。所实现的加法逻辑如下：

因为是在厨房（kitchen）里搭建的模型，斯蒂比兹的妻子称之为Model KModel K看似简单，却为斯蒂比茨验证了制造二进制计算机的可行性　　从结果来看，贝尔实验室产生用继电器实现二进制运算的技术，是源于他们长期使用继电器的经验和对复数运算的需要。

电话的拨号系统由继电器电路实现，通过一组继电器的开闭决定谁与谁进行通话同时，最早的电话系统是靠模拟量传输信号的，信号随距离衰减，长距离通话需要用到滤波器和放大器以保证信号的纯度和强度设计这两样设备时需要处理信号的振幅和相位，两个信号的叠加是两者振幅和相位的分别叠加，复数的运算法则正好与之相符。

贝尔实验室面临大量的复数运算，全是简单的加减乘除，工程师们不堪重负，并开始雇佣文化程度不高的妇女（当时的廉价劳力）全职辅助计算当时研究数学的人对继电器不熟悉，而一般在工作中使用继电器的工程师又对复数运算不尽了解，而斯蒂比茨正好是将两者联系到一起那个人。

　　随后的夜晚，斯蒂比茨对这个简单的一位加法器进行改进与扩充，使之能完成其他运算在初步设计完成以后，他把装在胶合板上的这台“样机”带到实验室表演给数学部主任桑顿·弗雷（Thornton C. Fry）演示。

弗雷开始时对斯蒂比茨的这一创新并没有太重视同年，一名哈佛大学在校的物理学博士生——霍华德·艾肯（Howard Hathaway Aiken，1900年—1973年）受困于自己的博士论文。

因为博士论文涉及空间电荷传导理论，需要计算非常复杂的非线性微分方程艾肯在图书馆里发现了巴贝奇和艾达的论文，他产生了发明一种机器代替人工计算，用来解决数学难题的想法艾肯准备好了一份可行性报告，四处寻找愿意合作的公司。

他曾找到生产销轮计算器的门罗公司，但是没有谈成1938年，第一台祖思机——Z1建造完成这是一台纯机械的机器，由成千上万的金属片和金属杆组成，靠电动马达驱动运转与以往靠齿轮实现计算的机械设备大不相同，Z1利用了布尔代数的原理，是。

第一台完全采用二进制运算方式的可编程计算机。Z1从未投入实际使用，并连同图纸毁于1944年1月30日的一场空袭。

Z1的珍贵照片　　1987年～1989年，在西门子公司的资助下，祖思重建了Z1并移交柏林德国技术博物馆后人对Z1的了解基本源自这台复制品可惜的是，尽管祖思的设计看起来精致而优雅，然而不论是1938年的Z1还是1989年的复制品都无法顺利运行。

位于德国技术博物馆的Z1复制品　　Z1在组成上已初具现代计算机的特点，主要包括控制器、存储器、运算器、输入设备（穿孔带读取器和十进制输入面板）和输出设备（十进制输出面板）5大部分Z1计算机最大的贡献是第一次采用了二进制数。

从机身侧视，可以看到下层一列列整齐的金属杆支撑着上层一叠叠整齐的金属片靠金属片和金属杆在水平面内4个方向（前后左右）移动，它们相互作用就可以完成二进制计算在薄钢板组装的存储器中，楚泽用一个在细孔中移动的针，指明数字“0”或“1”。

他的这种选择，明显地受到莱布尼茨著作的启发，他后来发表的研究报告，副题就是“向莱布尼茨致敬”和制表机一样，Z1也用到了穿孔技术，不过不是穿孔卡片，而是穿孔带，由35毫米电影胶卷制成数据则由一个数字键盘敲入，计算结果用小电灯泡显示。

　　Z1是世界上第一台二进制可编程计算机，其设计是极富开创性的，其中许多理念都被现代计算机所沿用：基于完全的二进制架构实现内存和处理器，引入了实现二进制计算的基本要素——逻辑门为了用二进制数表示小数，引入。

浮点数表示法，如今已被纳入IEEE标准将数据存储和指令处理分开，这正是现代计算机的做法在复制品中，机器大约一半由内存和穿孔带读取器构成另一半由处理器、I/O控制台和微控制单元构成可编程：拥有由8条指令组成的指令集（四则运算、内存读/写、从十进制面板读入数据、将结果寄存器里的内容显示到十进制展板）。

具体编程操作是用穿孔带记录8比特长的代码后传入机器（穿孔带只存储指令，数据通过按键面板输入）代码的组成方式为两种：一是2位表示内存读写操作码、6位表示内存地址，二是以3位表示四则运算和I/O操作的操作码）。

有了明确的机器周期概念。操作被分解成一系列微指令，一个机器周期一条微指令。

从架构上看，我们今天的计算机进与1938年的祖思机一致，反而与1945年的ENIAC不同直到后来的EDVAC报告草案，以及冯·诺依曼和图灵开发的位串行机中，才为ENIAC引进了更优雅的体系结构同年，由于贝尔实验室计算任务压力的增大，有人建议把台式机械计算器的轴连在一起以加快计算。

这从理论上来说虽然是可行的，但实现起来很复杂，操作也麻烦弗雷这时想起斯蒂比茨的发明，问他能不能用他的发明解决复数计算问题斯蒂比茨这时已成竹在胸，当即接受了任务在实验室另一位工程师塞缪尔·威廉姆斯(Samuel Williams)的协助下，新型计算机的研制工作开始了。

同年，麻省理工学院就读的克劳福德·香农（Claude Elwood Shannon ，1916年4月30日—2001年2月24日，这是祖师爷要拜拜

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