算盘等

最早在于公元前2500年在Mesopotamia发明的，用于计算加减，可以保存数字的状态。发明原有是社会规模已经超过了个人的心算能力。

后来又有了星盘（用于计算纬度），计算尺（计算乘法和除法）等等。目的是让原来计算非常复杂的过程简化，降低门槛。

机械计算器

计算机computer最早出现于1613年，原意指的是负责计算的人，是一种职业。

步进计算器

Leibniz说过：“让优秀的人浪费时间算数简直是侮辱尊严，民用机器能算的一样准。”

于是他发明了步进计算器，是世界上第一个能够完成加减乘数的计算器。利用阶梯轴来实现进位，但算一次复杂点的就要好几天。

  • 具体结构如下图：

  • 内部原理：

计算表

提前算好，需要的时候查阅。但是里面都是人力算出，错误百出，而且使用范围有限。

差分机

Charles Babbage，计算机之父，设计出了提高乘法速度和改进对数表的差分机，但是太过于复杂，Babbage花光了预算只造出来了1/7，没人投资，因此放弃。后来1991年伦敦科学博物馆在Babbage诞生200周年的时候，历时十七年造出了这台差分机，发现可以完成其设计指标的性能。

  • 七分之一的差分机：

  • Babbage的设计图：

分析机

Charles Babbage 提出了分析机，可以解100个变量，精确到20位的多项式，每秒计算一次，拥有存储功能，可以说很接近现代的计算机了。但是这个机器太过于超过当时时代的需求和建造能力，仅仅停留在设想方面。也正是因为分析机的提出，Babbage被誉为计算机之父。

Ada Lovelace写的分析机笔记被视为第一个算法，因此她也是世界上第一个程序媛。

打孔制表机

美国人口普查所需，因而制造，大大简化了人力成本，机器计算的一个重大优势体现，其制造公司为 IBM (International Business Machine Corporation) 前身。

计算机

继电器计算机

电子计算机的诞生来源于继电器的使用，继电器是用电来控制机械的开关。原理是通过控制电路的电流在线圈中产生磁场，从而控制继电器的开合，达到控制电路的功能。

这种由继电器制造的计算机体积通常非常非常大，比如在 Manhattan Project 中鼎鼎大名的计算机 Havard Mark I 大概长51英尺、高8英尺，看上去像一节列车，有750000个零部件，里面的各种导线加起来总长500英里。

而这台计算机的弟弟 Havard Mark II 在一次计算过程中，一只虫子（Bug）进入了计算机中，导致计算机出了故障，所以以后大家都以Bug来称呼计算机中的故障。

但是这种计算机的可靠性和速度还是有些差（现在看来），比如由于继电器是机械装置，所以很容易磨损而坏掉，并且转换速度比较慢，最快的也仅仅每秒50次。所以想要提高可靠性和计算性能，就需要改进材料。

真空管计算机

真空管的最大意义就是讲继电器这种容易坏掉的机械装置改成了电子控制的真空管。真空管本质是一种二极管，通过负极加热灯丝使电子溢出到正极，从而达到通路的状态。并且可以通过在外界施加正向逆向电压来控制电流。可靠性和速度都上了一个台阶。（就是能耗有点大啊）

但是性能这东西，怎么会有人觉得过剩呢？

于是，一种全新的计算机材料，晶体管诞生了！

晶体管计算机

晶体管是一种固体半导体器件，可以通过改变电压的大小控制电流，控制速度非常非常快，甚至能达到10GHZ（这也就就是CPU里面常说的主频），而本身的大小可以取决于制造工艺，精密但是简单。实验室里面最小可以做到1纳米的制程（IC内电路与电路之间的距离）。

晶体管有点有以下几点：

  1. 稳定性好，几乎没有什么损耗，能用很多很多年。
  2. 消耗电能少，不需要加热灯丝来溢出电子，很省电。
  3. 不需要预热，直接开机就用（理由和上面一样）。
  4. 可靠性好，外界难以影响晶体管的工作。

现在已经一路发展到了 7nm EUV 级别，主要是TSMC在量产。