从硬件技术视角分析：计算机速度是如何提高的？

alexwang

从硬件技术视角分析：计算机速度是如何提高的？

EDA365原创   作者：巢影字幕组

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早期计算都经历了什么？20世纪初，像制表机这样有特定用途的设备，代替了人工操作。

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20世纪上半叶，世界人口几乎翻一翻，全球也开始进行贸易和运输，这就使得人们对自动化计算机的需求日益增长，而从开始的算盘到需要花费巨资来维护的庞然大物，为未来的计算机打下了坚实的基础。

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一、计算机术语 "bug" 从何而来

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哈佛马克1号（Harvard Mark I）于1944年在第二次世界大战中由 IBM 作为同盟国而建造，它是最大的电子计算机之一。

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其中组件765000个，连接点3百万个，导线长度500英里，为了保持内部机械装置同步，还用了5马力功率的电机驱动一个50英尺长的传动轴。

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这台机器的核心部件是继电器，在继电器内部，有根决定电路是否闭合的控制线，控制线连着继电器里的线圈，当电流经过线圈时，产生电磁场，在电磁场的作用下，继电器吸合。

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继电器工作原理

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哈佛马克1号做加减法每秒3次，乘法每6秒1次，除法每15秒1次，三角函数之类的可能会超过1分钟。

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除了速度慢，还有机械磨损，任何会动的机器都有机械磨损，如果有齿轮坏了，速度会更慢，进而影响工作效率。

那现在咱们来讨论一下继电器，哈佛马克1号上有大约3500个继电器，假设一个继电器的机械寿命是10年，平均一下，每天就得换掉一个故障继电器，如果是需要运行很多天的重要计算，这将是一个很严重的问题。

这些机器不仅体积大，散热厉害，而且会吸引虫子，1947年9月，哈佛马克2号（Harvard Mark II）的操作员从故障机器中取出了一只死掉的飞蛾，从那时起当电脑一出现问题，人们就会说里面有只虫子（bug），这就是计算机术语 "bug" 的来源。

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如果想进一步推进计算能力，那就得找更快更可靠的东西代替继电器。

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二、从真空管到第一台可编程通用电子计算机

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真空管工作原理

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1904年英国物理学家，约翰·安布罗斯·弗莱明开发了一种全新的电子部件叫“热电子管”，也是世上第一个真空管。

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在真空管里放2个电极，通过加热一个电极使其发射电子，称为“热电子发射”，另一个电极吸引这些电子，形成电流，这些移动的电子都带有正电荷，这种只允许电流单向移动的器件叫二极管。

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三极管工作原理

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1906年，美国发明家李·德富雷斯特参考弗莱明的设计，在两个电极之间加入第三个“控制”电极，向控制电极施加正电荷使电子移动，向控制电极施加负电荷阻止电子移动，这种可以通过“控制”电极来闭合/断开电路的器件叫三极管。

它和继电器的功能基本一样，不同的是，真空管内没有部件，极大的减少了磨损，而且开关次数可以达到每秒千次。

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20世纪40年代，真空管才使用在计算机中，这也标志着人们开始从机械计算进入电子计算时代。

第一次大规模使用真空管是在工程师Tommy Flowers设计的Colossus Mk 1上，它完工于1943年12月，用来帮助解密纳粹通信。

第一版的Colossus有1,600个真空管，也是第一个可编程的电子计算机，编程方法是把几百根电线插到插板里，使计算机执行正确的操作，虽然它“可编程”，但还是需要人工设置才能执行特定的计算。

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1946年，在宾夕法尼亚大学，John Mauchly和J. Presper Eckert设计的电子数值积分计算机 "ENIAC"成功出世，是世上第一台通用“可编程”的“电子”计算机。

它每秒可执行5000次十位数加减法，据估计，它的运算量超过了全人类有史以来的所有运算。

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直到1950年，真空管的计算已经被运用到了极限。

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三、从晶体管的诞生到计算机步入人类生活

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为了降低计算机的成本，减小尺寸，更进一步提高可靠性和计算速度，贝尔实验室科学家John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley于1947年发明了全新的电子开关——晶体管，它的出现标志着一个全新的计算时代的诞生！

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晶体管工作原理

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晶体管就是一个开关，它是由导电材料隔开的两个电极组成，这些材料会在一定条件下导电或不导电，因此称之为半导体。

晶体管与真空管不同，它是固态组件，体积可以做到比世上最小的继电器和真空管还要小，这也为后来更小更便宜的计算机打下了基础。

1957年发行的IBM 608就是第一个用晶体管供电，可以在市面上买得到的计算机。它有3000个晶体管，每秒可执行4500次加法或每秒大约80次乘除法。

晶体管的诞生使计算机的应用进入办公室，并不断普及至家庭。

现如今，计算机里的晶体管可以做到尺寸小于50纳米，速度可以达到每秒切换数百万次，使用寿命长达几十年。

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我们从继电器到真空管，再到晶体管，不断让开关电路的速度变得更快，但我们又是怎么用晶体管来进行实际计算呢？我们之后再聊。

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出品丨EDA365

译制丨巢影字幕组

排版编辑丨陆妹

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wiusuiwj

计算机里的晶体管可以做到尺寸小于50纳米，速度可以达到每秒切换数百万次，使用寿命长达几十年。

罗斯

哇这篇文章干货太多了

samuraih

学习了，很好的科普文章。