计算机的起源与发展
引言
中国这二十多年来一直是跳跃式发展，我们接触的很多事物也都是跳跃式的。就拿电话来说，电话还没有完全普及我们就用上了手机，还没有刷过信用卡就迎来了移动支付。这些看起来是一件好事,但是事物的发展是需要循序渐进的，是需要慢慢演化的，违背这个规律就会带来问题。
以前我总认为计算机不是人类造出来的，它是来自外星人或者来自某种神秘。因为我所接触到的第一台计算机就是window计算机，固有的思维认为计算机就是这样，而实际上windos计算机诞生之前已经有了数百年的计算机发展，只是这些发展历史我不了解，就觉得它是凭空诞生的，所以觉得它好像超越了认知，超越了时代。
现在因为工作我和计算机的关系越来越紧密，对计算机的发展也有了一定的了解，所以就想和大家普及一下，计算机的起源，解答一下和我以前有一样困惑的人。
计算的源头
万事万物的发展，总是有源头的，计算机的诞生也是如此。计算机的诞生是来源于人们对计算的需要，所以想要了解计算机的起源，就必须了解一下计算的源头。
绳结计算法
人类最早的计算是在原始社会，那个时候使用绳结计算法。如下图：
据文献记载及考古发现，人类的结绳记事约起源自新石器时代，历经漫长的传承，一直延续到上个世纪，并遍布世界范围，中国、日本、波斯、埃及、墨西哥、秘鲁、波利尼西亚等地均曾盛行。
在我国，藏族、蒙古族、傈僳族、独龙族、哈尼族、德昂族、怒族、佤族、高山族、基诺族、苗族、黎族、普米族、瑶族等少数民族也都有结绳的历史。
最简单的结绳用一个结表示1；进阶一点，可以用绳结的大小或位置来表示不同的数位；心灵手巧些的，还能打出不同花式的结来表示不同的含义；或者选用多种材质、给绳子染色、拴上一些物件等等。
筹算法
随着时代的发展，生产力的提升，人们对计算的进一步需求，这个时候诞生了新的计算方式《筹算法》。有文献记载的《筹算法》诞生在中国古代的春秋时期（公元前770年-476年）。如下图：
在不同位数上摆放不同数目、不同方向的木条来表示，并且可以精确到小数点以后若干位。筹算中的加减可以通过算筹的简单变化体现出来。
计算之母-算盘
《筹算法》持续了很长的时间，在这段漫长的时间里筹算法不断演化，直到公元6世纪(唐朝)算盘诞生了。
算盘 是算数的工具，以排列成串的算珠作为计算工具，矩形木框内排列一串串等数目的算珠称为档。用算盘计算称珠算，珠算有对应四则运算的相应法则，统称珠算法则。相对一般运算来看，熟练的珠算不逊于电子计算器，尤其在加减法方面。根据珠算演变而来的珠算式心算成了速算技术的一种。
以往认为算盘为中国发明的观点并不可靠。事实上，在古中国开始广泛流行算盘已晚至宋元时期，此前通行的是筹算。反而在巴比伦、罗马都出土过接近今日中国算盘形制的算板实物，其算盘的形制相对上有着较清晰的演进轨迹。此外，包括北非的古埃及、中亚的俄罗斯、中古欧洲都有形制与之类似的手算盘。因此不能说算盘为中国所独有之巧思。客观来看，算盘是各地人类因应计算需要，透过文明交流而相互参考、逐渐完善的过程。
东亚 中国 日本 朝鲜半岛 古罗马 印加 俄罗斯
算盘的起源探索-拓展
算盘，西亚人的发明
最早的算盘出现在公元前2700年到2300年左右的苏美尔文明，最初只是一个有横隔的泥板，摆上泥丸或者石子，按位累加，放满清空，并在下一列加1——这就是进位制的最初起源。
苏美尔算盘模型
到了巴比伦时代，它演变为一种60进制的记数系统。这是用手指计数的产物——用左手大拇指依次触击其余四指的三个关节，可以数到12，数完一遍，右手屈起一根指头，屈起5根手指就是60。这种手指记数尤其适合清点货物，这也是为什么12进制是世界各地常见的计量单位之一。
继承者古罗马青铜算盘
巴比伦数字在古典时代西传到了古希腊，进而被古罗马继承，演变成了一种青铜算盘。 巴比伦数字严重混淆，61和2看上去没有区别，而且一个完整的乘法表需要59×60÷2= 1770项，致使古两河流域的数学并没有过高的发展。算盘的发明西传进入地中海地区，古希腊和古罗马将它改良成便携的青铜工具。
罗马式算盘采用一种双5进制，横档上，上1珠每珠当5，下4珠每珠当1，例外的是最右两列：θ列上1珠每珠当6，下5珠每珠当1，可以表示0到11的数字，专门用来处理罗马单位制中的12进制。
两副罗马式算盘，现藏伦敦科学博物馆，上者最右档遗失2株
中国算盘
中国算盘最早见载于东汉末年的《数术记遗》，是像罗马算盘一样的游珠算盘，到唐代改良为现在的串珠算盘；而现存最早的算盘图像见于北宋张择端的《清明上河图》，卷左赵太丞家药铺柜台上有一个十五档一四算盘，和现代会计算盘几乎一样。
《清明上河图》局部，白色虚线框内为算盘，与下面的菱形珠十五档一四算盘同款
操作上，中式算盘比算筹更加实用。它节省空间，操作迅速，记熟一套“三下五去二”就足以胜任绝大多数账面工作；但又牺牲了布局的自由，只从筹算上继承了四则运算、开平方、开立方等简单操作，两幅算盘并联操作才能计算分数。
因此，筹算被数学家青睐，珠算在民间迅速推广，这也使得算盘的形制不像算筹那样固定。
中式算盘发明之初采用菱形珠子，上1珠每珠当5，下4珠每珠当1，每档能表示0到9的数字，完全复制了算筹的10进制。这种一四算盘在宋代时传入日本，在那里一直沿用至今，并在清代末年传回中国，成为现代会计算盘的主要形制。
但中国本土的算盘到明代时改革成了圆形珠子，上2珠每珠当5，下5珠每珠当1，每档能表示0到15的数字，成为一种16进制和10进制通用的计算工具。这是因为中国的长度和容积单位采用10进制，主要的重量单位却是1斤=16两，所以布店打算盘只需1颗上珠和4颗下珠，粮店打算盘就要7颗珠子全用到了。为了便携，明代以后的算盘还往往减少成13档，这些古老而便捷的计算工具有着惊人的计算速度，直到20世纪后半叶才被手持电子计算器勉强击败，但仍然以珠算和珠心算的形式出现在东亚各国的基础教育里。
纳皮尔的骨头-计算尺
但约翰·纳皮尔的数学贡献不只是一副“骨头”，他还是对数概念的提出人，这直接引出了另一种沿用至今的计算工具——计算尺。
17世纪的大不列颠开始对外殖民扩张，航海、测绘、天文定位都出现了难以完成的计算需求，而对数可以化幂运算为乘除法、化乘除法为加减法。
如同乘法表，对数表也是一种查询式计算工具，但在电子计算机发明以前只有少数研究机构才有实力算出这二郎神都会看花眼的东西
1620年到1630年间，牛津大学和剑桥大学根据纳皮尔的对数原理，发明了更方便的滑尺，分直形和圆形两种，可通过对齐尺子上的刻度查询计算结果——这就是中文“对数”一词的由来。
随后的两个世纪里，工程师和数学家不断为计算尺引入新的刻度，并添加了滑动的游标，发展成现代的多相算尺，可以进行加减法之外所有的算术运算，以及三角函数等超越计算，不同工程领域还常常研发出自己的专业型号。
几种计算尺
帕斯卡计算器
查询式计算工具蓬勃发展的同时，精密仪器制造业也从15世纪起崛起发展，最初只是一些商业城市用自鸣钟楼统一作息，以适应日趋工厂化的制造业，到17世纪发展成更加精密的座钟和怀表。
钟表指针的齿轮转动天然地具有进位功能。1642年，法国数学家、物理学家和化学家帕斯卡（Blaise Pascal，1623-1662）借此设计了一台“帕斯卡计算器”（Pascal's calculator）。长方形的黄铜盒子上开有一列读数窗，下面对应着一行带辐条和指针的齿轮。操作时先像拨盘电话一样逐位输入一个加数，这将显示在上方的读数窗里；再用同样的方式输入另一个加数，读数窗里就会显示出和了。
现存帕斯卡计算器之一，制作于1942年，现存法国工艺美术馆
雅卡尔提花机
1804年，法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard），在老式提花机的基础上发明了穿孔纸带控制编制花样的提花机，大幅度提高了工作效率。 雅卡尔提花机工作效率是老式提花机的25倍。其工作原理就是预先根据需要编制的图案在纸带上打孔，根据孔的有无来控制经线与纬线的上下关系。雅卡尔的穿孔纸带不只为丝织行业带来了巨大技术革命，同时也为全人类打开了一扇信息控制的大门。
分析机和差分机
19世纪，英国数学家
查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）提出通用数字计算机的基本设计思想，于1822年(清朝)设计了一台差分机，并于1832年设计一种基于计算自动化的程序控制分析机，提出了几乎完整的计算机设计方案，被誉为计算机之父。所谓"差分"的含义，是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。1812年，20岁的巴贝奇从法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年光阴，于1822年完成了第一台差分机，它可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数。
分析机由蒸汽机驱动，大约有30米长、10米宽。它使用打孔纸带输入，采取最普通的十进制计数。
霍尔瑞斯孔卡片制表系统
继巴比奇之后，1889年美国统计学家赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith）根据雅卡尔提花织布机的原理，利用穿孔卡片，开发了穿孔卡片制表系统用于人口普查，大幅提高了人口普查工作效率。霍尔瑞斯的穿孔卡片制表系统，其实就是一套机械式计算机系统，被认为是现代计算机的雏形。
IMB公司制造穿孔卡片制表系统
现代计算机的灵魂-图灵机
1936年的《伦敦数学协会会刊》上艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）发表了改变世界的论文——《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。所谓的图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。
图灵机的主要贡献给出了计算机的数学模型和计算机工作的理想模式。
计算机的发展
世界上第一台计算机"阿塔纳索夫-贝瑞计算机"（ABC计算机）
世界上第一台电子数字计算设备。这台计算机在1937年设计，不可编程，仅仅设计用于求解线性方程组，并在1942年成功进行了测试。ABC计算机开创了现代计算机的重要元素，包括二进制算术和电子开关。 阿塔纳索夫和克利福德·贝瑞的计算机工作直到1960年才被发现和广为人知，并且陷入了谁才是第一台计算机的冲突中。那时候，ENIAC普遍被认为是第一台现代意义上的计算机，但是在1973年，美国联邦地方法院注销了ENIAC的专利，并得出结论：ENIAC的发明者从阿塔纳索夫那里继承了电子数字计算机的主要构件思想。因此，ABC被认定为世界上第一台计算机。
世界第一台通用电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）
1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学诞生。发明人是美国人莫克利（JohnW.Mauchly）和艾克特（J.PresperEckert）。“埃尼阿克”（ENIAC），用了18000个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，每秒钟可进行5000次运算，能够重新编程，解决各种计算问题符合图灵机的标准。
世界第二台电子计算 机离散变量自动电子计算机（EDVAC）
EDVAC于1949年8月交付给弹道研究实验室。EDVAC采用二进制，而且是一台冯·诺伊曼结构的计算机。EDVAC最终造价格50万美元，使用EDVAC使用了大约6000个真空管和12000个二极管，占地45.5平方米，重达7850千克，消耗电力56千瓦。
世界最昂贵的计算机 IBM System/360
1964年4月7日，美国IBM公司同时在14个国家、全美63个城市宣告，世界上第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功。它的研制开发经费高达50亿美元，是研制第一颗原子弹的曼哈顿计划的2.5倍。
System/360的问世代表着世界上的电脑有了一种共同的交互方式，它们都共享代号为OS/360的操作系统，而并非每种产品都用量身订做的操作系统。让单一操作系统适用于整个系列的产品是System/360成功的关键，且实际上IBM目前的大型系统便是此系统的后裔。
System/360的开发过程被视为计算机发展史上最大的一次豪赌，为了研发System/360这台大型机，IBM决定征召六万多名新员工，创建五座新工厂。吉恩·阿姆达尔是系统主架构师，当时的项目经理佛瑞德·布鲁克斯（Frederick P. Brooks, Jr.）事后根据这项计划的开发经验，写作《人月神话：软件项目管理之道》（The Mythical Man-Month: Essays on Software Engineering）记述人类工程史上一项里程碑式的大型复杂软件系统开发经验。
世界第一台个人电脑 奥托
1973年，在施乐公司帕洛阿尔托研究中心（Palo Alto，加州旧金山湾区圣克拉拉县）（The Xerox PARC)发明出来。该电脑首次使用了桌面比拟（Desktop metaphor)和鼠标驱动的图形用户界面（GUI）技术。
第一台苹果电脑 Apple I
1975年6月29日，由斯蒂夫·沃兹尼亚克在惠普公司办公室手工打造而成，模样近似于打字机。主版裸露在外，需连接电视机作为显示器，与当今的个人电脑相较之下功能也很有限。
第一个Windows操作系统
1985年开始发行了Microsoft Windows1.0，它是Windows系列的第一个产品，同时也是是微软第一次对个人电脑操作平台进行用户图形界面的尝试。
超级计算机
超级计算机是由8个或更多的节点组成的、作为单个高性能机器工作的计算机集群，是当前所有计算机当中运算速度最快、价格最昂贵的计算机系统，可以存储大量的数据，进行复杂数学运算。
1965年由美国科学家克雷设计、控制数据公司制造的CDC6600作为世界上第一台超级计算机。它使用了35万个晶体管，每秒可进行100万次浮点运算。
1976年，克雷自己组建了公司，推出全球第一台采用向量寄存器的商用超级计算机“克雷1号”，共集成了20万个晶体管，占地将近7m2，质量为5吨，每秒可以进行1.5亿次浮点运算。
20世纪80年代，超级计算机开始采用大规模并行处理的分布式结构，让多个微处理器同时为一个程序工作，运算速度达到每秒2亿次。
1997年，IBM公司研制的超级计算机“深蓝”，首次战胜了人类国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。
2003年，日本NEC公司为日本海洋科学技术中心地球科学研究院制造的超级计算机“地球模拟器”，运算性能达到了每秒41万亿次，主要用于预测大气循环、地壳变化和地震发生等。紧接着，IBM公司研制出一台性能更强劲的超级计算机“蓝基因／L”，运算能力达到每秒70.72万亿次。很快，英国爱丁堡大学研制的“HECToR”以每秒100万亿次的速度超过了它。不过，IBM的另一台“ASC紫色”超级计算机又追了上来，它主要用于模拟核弹爆炸的全过程，而以往仅仅为了模拟十亿分之一秒的核爆炸就要花费几个月的时间。
2021年6月世界超级计算机排行榜
| 排名 | 国家 | 系统 | cpu核心数 | 测试性能TFlop/s | 峰值TFlop/s |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 日本 | 富岳 | 7,630,848 | 442,010.0 | 537,212.0 |
| 2 | 美国 | 顶点 | 2,414,592 | 148,600.0 | 200,794.9 |
| 3 | 美国 | 山脊 | 1,572,480 | 94,640.0 | 125,712.0 |
| 4 | 中国 | 神威·太湖之光 | 10,649,600 | 93,014.6 | 125,435.9 |
| 5 | 美国 | Perlmutter | 706,304 | 64,590.0 | 89,794.5 |
| 6 | 美国 | 月之女神Selene | 555,520 | 63,460.0 | 79,215.0 |
| 7 | 中国 | 天河二号 | 4,981,760 | 61,444.5 | 100,678.7 |
| 8 | 德国 | JUWELS Booster Module | 449,280 | 44,120.0 | 70,980.0 |
| 9 | 意大利 | HPC5 | 669,760 | 35,450.0 | 51,720.8 |
| 10 | 美国 | Frontera | 448,448 | 23,516.4 | 38,745.9 |
第一名富岳的算力几乎相当于第二到第六名算力的总和。
算力总和排名 美国第一、中国第二、日本第三
超级计算机数量 中国217、美国113、日本34 （2020年公布的数据）
未来的计算机-量子计算机
概述
量子计算机，它是一种可以实现量子计算的机器，是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。
传统计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0、1之间的区分，其基本单元为硅晶片一样，量子计算机也有着自己的基本单位——昆比特（qubit）。昆比特又称量子比特，它通过量子的两态的量子力学体系来表示0或1。比如光子的两个正交的偏振方向，磁场中电子的自旋方向，或核自旋的两个方向，原子中量子处在的两个不同能级，或任何量子系统的空间模式等。
2021年2月8日，中科院量子信息重点实验室的科技成果转化平台合肥本源量子科技公司，发布具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”。
优势
量子计算机拥有强大的量子信息处理能力，对于目前海量的信息，能够从中提取有效的信息进行加工处理使之成为新的有用的信息。量子信息的处理先需要对量子计算机进行储存处理，之后再对所给的信息进行量子分析。
目前的计算机通常会受到病毒的攻击，直接导致电脑瘫痪，还会导致个人信息被窃取，但是量子计算机由于具有不可克隆的量子原理这些问题不会存在，在用户使用量子计算机时能够放心地上网，不用害怕个人信息泄露。
另一方面，量子计算机拥有强大的计算能力，能够同时分析大量不同的数据，所以在金融方面能够准确分析金融走势，在避免金融危机方面起到很大的作用；在生物化学的研究方面也能够发挥很大的作用，可以模拟新的药物的成分，更加精确地研制药物和化学用品，这样就能够保证药物的成本和药物的药性。
应用前景
量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力，同时也是发展人工智能的关键。由于量子计算机在并行运算上的强大能力，使它有能力快速完成经典计算机无法完成的计算。这种优势在加密和破译等领域有着巨大的应用。 （1）天气预报：如果我们使用量子计算机在同一时间对于所有的信息进行分析，并得出结果，那么我们就可以得知天气变化的精确走向，从而避免大量的经济损失。 （2）药物研制：量子计算机对于研制新的药物也有着极大的优势，量子计算机能描绘出万亿计的分子组成，并且选择出其中最有可能的方法，这将提高人们发明新型药物的速度，并且能够更个性化的对于药理进行分析。 （3）交通调度：量子计算机可以根据现有的交通状况预测交通状况，完成深度的分析，进行交通调度和优化。
