孙凝晖:计算机是怎么越来越快的?

作者: 孙凝晖

来源: 中国科学报

发布日期: 2023-11-13

本文探讨了计算机从最初的机械计算工具如算盘,到现代电子计算机的演进历史,以及未来计算技术的发展方向,特别是量子计算机的可能性。

电影《流浪地球2》中,贯穿其中的一个重要“角色”是550系列量子智能计算机。丫丫的数字生命、无人机暴乱、MOSS系统的“阴谋”等都与它有关。从电影起初的550A到最后的MOSS(即550W),它变得越来越强大,甚至人类都要依靠它们实现“数字永生”。

计算机的计算速度是怎样一步步变快、变强大的?这就要从人类最原始的计算机——算盘说起了。

计算机的前生:机械计算工具的演进

算盘是计算机的起点,它其实是一台“机械式半自动化运算器”。打算盘的“口诀”其实就是它的编程语言,算盘珠就是它的存储器。第二阶段是可以做四则运算的加法器、乘法器。1642年,法国数学家帕斯卡为了帮税务官父亲计税,发明了一个机械式的加法器;1673年,德国数学家莱布尼茨则发明了可做乘除法的乘法器。

计算机进阶到第三阶段,是可编程织布机。织布机跟计算有什么关系?织布工人在纸上画出图形,机器能读懂、绣到布上,这个过程就叫作编程。在这一进程中,1801年,杰卡德发明了首个可编程织布机——通过穿孔卡对织布机进行编程。今天织布的印花还是这个原理。

第四阶段是差分机。西方进入大航海时代,人们在编制航海、天文用表时,需要大量的人工劳动。直到1837年,巴贝奇设计了差分机与分析机,虽然在工程上没有彻底实现,但已经可以完成非常复杂的计算,比如通过多项式逼近对数、指数和三角函数。

到了第五阶段,人类历史上第一次有了计算程序。1843年,世界上第一位程序员爱达——一位女性——设计了一个算法,用来计算伯努利数列的值。这是历史上第一个利用计算机进行运算的算法程序。

第六阶段,机械计算工具到了顶峰。二战期间,阿兰·图灵为了破译密码设计出“图灵甜点”解码机。这个解码机的特点是,有非常好的计算能力和适应性,因为德国设计的恩格玛密码机的密码一直在变。

现代计算机的诞生与应用

经过这六个阶段,至此机械式计算工具达到了工程技术积累的巅峰。但是,那时还没有出现“电子计算机”。即便是“图灵甜点”解码机,也只是...(后续内容省略)

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