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1、电子计算机诞生的背景
20 世纪初，早期计算设备都针对特定用途(比如 制表机)，大大推进了政府和企业。然而人类社会的规模 在以前所未有的速度增长，20 世纪上半叶，世界人口几乎翻倍，全球贸易和运输更加紧密，工程和科学的复杂度也达到新高，这些都导致数据量暴增，人们需要更多自动化 更强的计算能力。很快，柜子大小的计算机变成房间大小。
2、继电器
最大的机电计算机之一：哈佛马克一号（Harvard Mark I）
背景 ：
哈佛马克一号由 IBM 在 1944 完成建造，它有 76 万 5 千个组件，300 万个连接点和 500 英里长的导线，为了保持内部机械装置同步，它有一个 50 英尺的传动轴，由一个 5 马力的电机驱动。这台机器是给二战同盟国建造的，最早的用途之一 是给 ” 曼哈顿计划 ” 跑模拟。这台机器的大脑是 ” 继电器 ”。
原理 ：
继电器是用电控制的机械开关。继电器里有根 ” 控制线路 ”，控制电路是开还是关。” 控制线路 ” 连着一个线圈，当电流流过线圈，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路。
可以把继电器 想成水龙头，把控制线路 想成水龙头把，打开水龙头，水会流出来，关闭水龙头，水就没有了。继电器是一样的，只不过控制的是电子而不是水。这个控制电路可以连到其他电路，比如马达，马达让计数齿轮 +1，就像 Hollerith 的制表机一样。不足：
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速度慢 ；继电器内的机械臂 有质量，因此无法快速开关。
哈佛马克一号，1 秒能做 3 次加法或减法运算，一次乘法要花 6 秒，除法要花 15 秒。更复杂的操作 比如三角函数，可能要一分钟以上。 -
齿轮磨损；任何会动的机械都会随时间磨损，有些部件会完全损坏，有些则是变黏，变慢，变得不可靠。并且随着继电器数量增加，故障概率也会增加。
哈佛马克一号有大约 3500 个继电器，哪怕假设继电器的使用寿命是 10 年，也意味着平均每天得换一个故障继电器！这个问题很严重，因为有些重要运算要运行好几天， -
这些巨大，黑色，温暖的机器也会吸引昆虫。1947 年 9 月，哈佛马克 2 型的操作员从故障继电器中，拔出一只死虫。
小知识补充：Grace Hopper 曾说："从那时起，每当电脑出了问题，我们就说它出了 bug（虫子）"。这就是术语 "bug" 的来源。
3、热电子管 – 真空管
背景 ：
如果想进一步提高计算能力，我们需要更快更可靠的东西，来替代继电器。在 1904 年，英国物理学家 “ 约翰·安布罗斯·弗莱明 ” 开发了一种新的电子组件，叫 ”热电子管“。
原理 ：
把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里（这是世上第一个真空管）。其中一个电极可以加热，从而发射电子（这叫 “热电子发射 “），另一个电极会吸引电子，形成 ” 电龙头 ” 的电流。但只有带正电才行，如果带负电荷或中性电荷，电子就没办法被吸引，越过真空区域，因此没有电流。电流只能单向流动的电子部件叫 “ 二极管 “。
但我们需要的是，一个能开关电流的东西。不久之后在 1906 年，美国发明家 “ 李·德富雷斯特 ”，他在 ” 弗莱明 ” 设计的两个电极之间，加入了 第三个 “ 控制 ” 电极，向 ” 控制 ” 电极施加正电荷，它会允许电子流动，但如果施加负电荷，它会阻止电子流动。因此通过控制线路，可以断开或闭合电路，和继电器的功能一样。
优势：
- 真空管内没有会动的组件，更少的磨损
- 每秒可以开闭数千次，因此这些 ” 三极真空管 ” 成为了无线电，长途电话，以及其他电子设备的基础，持续了接近半个世纪。
- 这标志着计算机 从机电转向电子。
不足：
- 真空管有点脆弱，并且像灯泡一样会烧坏。
- 起初，真空管非常昂贵，收音机一般只用一个，但计算机可能要上百甚至上千个电气开关，但到了 1940
年代，它的成本和可靠性得到改进，可以用在计算机里。至少有钱人负担得起，比如政府。
应用 ：
第一个大规模使用真空管的计算机是 “ 巨人 1 号 ”，放在英国的 ” 布莱切利园 ”, 用于破解纳粹通信。
小知识补充：巨人 1 号：由工程师 Tommy Flowers 设计，完工于 1943 年 12 月。有 1600 个真空管。被认为是第一个可编程的电子计算机。编程的方法是把几百根电线插入插板，有点像老电话交换机。特点：虽然 "可编程"，但还是要配置它。小知识补充：电子数值积分计算机 "ENIAC"：设计者是 John Mauchly 和 J. Presper Eckert。1946 年，在 "宾夕法尼亚大学" 完成建造。这是世上第一个真正的通用，可编程，电子计算机。每秒可执行 5000 次十位数加减法，比前辈快了很多倍，它运作了十年。因为真空管很多，所以故障很常见，ENIAC 运行半天左右就会出一次故障。4、晶体管
背景：
到 1950 年代，真空管计算机都达到了极限。为了降低成本和大小，同时提高可靠性和速度，需要一种新的电子开关。
1947 年，贝尔实验室科学家 John Bardeen，Walter Brattain，William Shockley 发明了晶体管。一个全新的计算机时代诞生了！
原理 ：
晶体管 就像之前提过的 ” 继电器 ” 或 ” 真空管 ”，它是一个开关，可以用控制线路来控制开或关。
晶体管有两个电极，电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电，有时候不导电，这叫 ”半导体“。控制线连到一个 “ 门 ” 电极，通过改变 “ 门 ” 的电荷，可以控制半导体材料的导电性，来允许或不允许 电流流动。
优势：
- 快。贝尔实验室的第一个晶体管每秒就可以开关 10,000 次。
- 体积小，不易磨损。比起玻璃制成，小心易碎的真空管，晶体管是固态的，晶体管可以远远小于继电器或真空管
应用 ：
更小更便宜的计算机的诞生，比如 1957 年发布的 IBM 608，第一个完全用晶体管，而且消费者也可以买到的计算机，它有 3000 个晶体管，每秒执行 4500 次加法，每秒能执行 80 次左右的乘除法。
如今，计算机里的晶体管小于 50 纳米，而一张纸的厚度大概是 10 万纳米，晶体管不仅小，还超级快，每秒可以切换上百万次，并且能工作几十年。
小知识补充：很多晶体管和半导体的开发在 "圣克拉拉谷"，这个地方在加州，位于 "旧金山" 和 "圣荷西" 之间，而生产半导体最常见的材料是 "硅"，所以这个地区被称为 "硅谷"。William Shockley 搬到硅谷，创立了 "肖克利半导体"，里面的员工后来成立了 "仙童半导体"。这里面的员工后来创立了英特尔 - 当今世界上最大的计算机芯片制造商。
