一文速覽計算機(jī)的前世今生

Labs 導(dǎo)讀

算力網(wǎng)絡(luò)、智慧家庭、元宇宙、操作系統(tǒng)國產(chǎn)化……這些熱門事物不斷涌現(xiàn)，讓人眼花繚亂。但萬變不離其宗，支撐起這些精巧復(fù)雜體系的技術(shù)底座，無外乎CPU、內(nèi)存、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法等等。那么這些技術(shù)是如何發(fā)展到今天這種形態(tài)呢，本文將以獨(dú)特視角切入，帶你暢讀計算機(jī)的今生、前世。

作者：溫作龍

單位：中國移動智慧家庭運(yùn)營中心 安全產(chǎn)品部

Part 01 ●引言●

計算機(jī)發(fā)展史洋洋灑灑近80年，一篇短文想講透是不現(xiàn)實(shí)的。但不必?fù)?dān)心，作為普通用戶，只需記住一個神奇年代，計算機(jī)發(fā)展史就能在你眼前脈絡(luò)清晰起來，那便是——1970s初。

Part 02 ●俯瞰今生●

為什么是1970s初？因?yàn)槿缃裎覀兯姷挠嬎銠C(jī)，其賴以生存的各項(xiàng)技術(shù)，都在1970-1973這3年間呱呱墜地，不信且看——

? 1970年，英特爾，發(fā)布了第一款商用DRAM內(nèi)存。電腦要是離了內(nèi)存可玩不轉(zhuǎn)。

? 1971年，英特爾，發(fā)布了第一款商用微處理器，即如今的CPU。有了它，電腦才能小巧玲瓏。

? 1971年，貝爾實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出了Unix操作系統(tǒng)第一版。Unix是今天絕大多數(shù)操作系統(tǒng)的老祖宗，包括無處不在的Linux（含安卓）、蘋果系統(tǒng)等等。計算機(jī)時間的“起點(diǎn)”（1970年1月1日0點(diǎn)），也是Unix定義的。

? 1972年，貝爾實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出了C語言。C語言可能是影響力最大的編程語言了，許多操作系統(tǒng)、編程語言都直接或間接基于C語言。

? 1973年，ARPA，設(shè)計了TCP/IP協(xié)議，它是互聯(lián)網(wǎng)的基石。電影《流浪地球2》通過重啟全球互聯(lián)網(wǎng)拯救地球，背后依賴的正是TCP/IP協(xié)議簇。

? 1973年，IBM，發(fā)布了第一款現(xiàn)今結(jié)構(gòu)的機(jī)械硬盤。

? 1973年，施樂公司，發(fā)明了第一款圖形界面操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡單直觀的人機(jī)交互，為計算機(jī)的普及奠定了重要基礎(chǔ)。

總的來說，今天計算機(jī)最重要的幾樣?xùn)|西，基本都在1970s初誕生。

你可能會想，哇塞，70年代初也太厲害了吧，竟然發(fā)生了這么多大事，那后來的歲月里，計算機(jī)都發(fā)展了什么？

后來的故事

? 70年代后期，個人電腦誕生，從此昂貴的計算機(jī)不再是政府、企業(yè)、高校的專屬。

? 80年代，消費(fèi)者的福音——圖形界面操作系統(tǒng)開始商用流行，即蘋果系統(tǒng)、Windows（用C/C++寫的）。

? 90年代，程序員中廣為流行的生產(chǎn)力工具誕生——Python和Java（用C/C++寫的）。

? 90年代，數(shù)十億人工作、生活所需的信息高速公路誕生——萬維網(wǎng)（基于TCP/IP）。

21世紀(jì)：

? 00年代，智能手機(jī)操作系統(tǒng)的王者——Android、iOS誕生（間接源自Unix）。

? 10年代，移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算大火。

? 20年代，現(xiàn)有技術(shù)的集大成者——元宇宙，在2021年起飛。

對比而言，70年代初有如開掛，濃縮了太多開創(chuàng)性成果，而之后的歲月里，發(fā)展似乎相對乏善可陳，更多的是既有技術(shù)的優(yōu)化升級。

譬如CPU，位數(shù)從最初的4位，一路“奔騰”到如今主流的64位，性能也巨幅提升。

譬如DRAM內(nèi)存，誕生之初叫DRAM（動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，簡稱動態(tài)內(nèi)存）；后來一路升級，不斷疊加前綴，如今叫LPDDR5 SDRAM（第5代低功耗雙倍數(shù)據(jù)率的同步動態(tài)內(nèi)存）

圖1內(nèi)存名稱釋義

如果把1970后的計算機(jī)看作“今生”，那它的“前世”又在干嘛呢？難道在1970s前，就沒有如今的這些硬件、軟件系統(tǒng)嗎？

要知道，人類首次登月是1969年，70年代初的那些技術(shù)都還沒問世，那登月所依賴的系統(tǒng)是什么模樣？

Part 03 ●回眸前世●

一般認(rèn)為計算機(jī)誕生于1946年，那么直到1970年，計算機(jī)的發(fā)展都經(jīng)歷了什么？這里用“三化”來概括：

硬件小型化

操作系統(tǒng)人性化

編程語言高級化

- 硬件小型化

最初計算機(jī)的電路用的是電子管，整體足有2個房間大。難以想象前人為了掌控這龐然巨獸需要付出多么艱苦卓絕的努力。

幸運(yùn)的是，50年代有了晶體管和集成電路技術(shù)，讓CPU和內(nèi)存先后開始小型化，從而逐漸實(shí)現(xiàn)整機(jī)的小型化。進(jìn)化路線為：巨->大->中->小型機(jī)，至于微型機(jī)（微機(jī)），則到70年代才出現(xiàn)。

集成電路使芯片小型化的同時性能飛升，進(jìn)而支撐起豐富的上層應(yīng)用。而集成電路的關(guān)鍵工藝在光刻技術(shù)，所以為什么說先進(jìn)***會卡脖子，因?yàn)樗诋a(chǎn)業(yè)鏈上游，一旦掐斷，下游可不就巧婦難為無米之炊了。

- 操作系統(tǒng)人性化

如今的電腦似乎有三頭六臂，同時放歌、下視頻、聊微信，不費(fèi)吹灰之力。

然而早期的計算機(jī)卻相當(dāng)“專心”，一個任務(wù)做完了再做下一個。當(dāng)時計算機(jī)稀缺、速度還慢，幾十號人只能排隊(duì)輪流使用。

五、六十年代出現(xiàn)的“批處理”、“分時”操作系統(tǒng)則改善了這種糟糕的用戶體驗(yàn)。

分時的精髓在于，各任務(wù)在微觀上是輪流執(zhí)行，宏觀上卻表現(xiàn)為并行，而用戶基本察覺不出來這種假象。這個人性化的設(shè)計可算是解決了用戶的痛點(diǎn)，當(dāng)然，這種操作離不開CPU性能的提升。

- 編程語言高級化（自動化）

Python這些年一直很火，原因之一是簡單而強(qiáng)大，即使非專業(yè)人員也能用Python實(shí)現(xiàn)辦公自動化，從重復(fù)勞動中解放出來。而這，需要感謝當(dāng)年編程語言的高級化。

我們知道計算機(jī)底層是0和1，最初人類直接用0和1組成的機(jī)器語言，讀或?qū)懚己艹粤?，更別說出錯后的排查了。

后來有了相對易讀的匯編語言，但效率還是相對低下。

1957年，第一款高級語言Fortran推出，實(shí)現(xiàn)自動編程。

從此，人只用寫簡單的表意文字，計算機(jī)就能自行翻譯為機(jī)器語言；此外，用簡單符號就能代指復(fù)雜功能，實(shí)現(xiàn)四兩撥千斤的效果，可以說大大解放了人力。

表1列舉了計算機(jī)早期各技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展，有興趣的可參考。

表1 計算機(jī)早期發(fā)展重點(diǎn)列舉

Part 04 ●照向未來●

了解計算機(jī)發(fā)展史有何意義呢？

一方面，千變?nèi)f變，底層不變。

算力網(wǎng)絡(luò)、智慧家庭、元宇宙，是近年來較熱門的事物，它們較大程度上是基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行整合創(chuàng)新，如云計算、物聯(lián)網(wǎng)等等，而這二者歸根結(jié)底是CPU、內(nèi)存、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等等在強(qiáng)力支撐。了解根源，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，面對千變?nèi)f化的新事物才能更從容不迫。

比如算力網(wǎng)絡(luò)不是憑空冒出來的，它勾勒的愿景（讓算力成為像水電一樣的基礎(chǔ)設(shè)施，即取即用），早在1960年代分時操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，就有了類似的設(shè)想與大規(guī)模實(shí)踐，只是由于時代的局限未能長存。

（基于這些硬件軟件構(gòu)筑的計算機(jī)體系，究竟有多璀璨奪目、高效神速，可參考移動Labs公眾號的這篇《揭秘：千里送信為何能瞬時到達(dá)》）

另一方面，以史為鏡，可知興替。

隨著國際形勢的變化，推進(jìn)芯片、操作系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化的緊迫性劇增，畢竟底層為基，如果底層技術(shù)抽走，那上層建筑再絢麗宏偉也會轟然倒塌。

在國產(chǎn)化進(jìn)程中，我們某種程度上將重走計算機(jī)生態(tài)的發(fā)展歷程，以史為鑒，可以少走彎路。

當(dāng)然，本文只是拋磚引玉，嘗試撥開消費(fèi)者眼中計算機(jī)上籠罩的迷霧，以一窺全貌。更多史料，可見文末參考資料。

Part 05 ●結(jié)語●

話說回來，1970s初，真的有那么重要嗎？

實(shí)際上更重要的是集成電路，分時系統(tǒng)，高級語言等，這些誕生于五六十年代的技術(shù)，為后來的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。70年代初的成果爆發(fā)與其說是迸發(fā)的巧合，不如說更像是水到渠成的必然。

但這并不妨礙我們將1970s看作一個重要的里程碑節(jié)點(diǎn)，畢竟我們消費(fèi)者最熟悉的就是手頭的電腦（微機(jī)），它不凡的身世，就得1970s這個神奇的分水嶺講起：

在1970s初的3年里，如今電腦最重要的硬件軟件紛紛登上歷史舞臺；

往后的“今生今世”，大致是基于這些成果的不斷升級創(chuàng)新。

往前的“史前文明”，大致是三化：硬件小型化（集成電路）、操作系統(tǒng)人性化（分時）、編程語言高級化（自動化）。

彩蛋

前面提到的1970s初那些技術(shù)，皆由美國創(chuàng)造，想必當(dāng)時美國是盛極一時吧？

恰恰相反，當(dāng)時美國的日子并不好過。

上世紀(jì)70年代的美國，經(jīng)濟(jì)上終結(jié)了二戰(zhàn)以來的高速增長，進(jìn)入停滯階段；政治上處于冷戰(zhàn)時期的“蘇攻美守”階段，美國面臨很大壓力。后來長期稱霸CPU的英特爾，當(dāng)時也曾陷入絕境，在1975年甚至要考慮賣掉自己。

可危機(jī)時常是危與機(jī)并存不是嗎？

美國擔(dān)心蘇聯(lián)核武轟炸導(dǎo)致自己的指揮系統(tǒng)癱瘓，所以研發(fā)了“阿帕網(wǎng)”（1969），互聯(lián)網(wǎng)由此發(fā)端。

70年代初各成果固然誕生，但還不成氣候，直到90年代才迎來互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)大繁榮。而這一繁榮的技術(shù)底座，早在70年代就已埋下伏筆。

國內(nèi)正處制裁危機(jī)，但也因此大力推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化，產(chǎn)業(yè)體系將迎來一次自底向上的涅槃重生。

2020s初的此時時刻，或許正如1970s初的彼時彼刻。相信今天夾縫生存的不屈成長，終會在不遠(yuǎn)的未來，結(jié)出累累碩果。

審核編輯：湯梓紅