1946年2月14日，在美國賓夕法尼亞州東南部的費城，人們正在像以往一樣正常工作和生活。
忽然，他們發現，房間裡的燈暗了下來。
剛剛經歷過二戰的人們，對這種情況習以為常。他們心想：「是不是哪裡的電力線路又壞了？」
其實，燈之所以會暗，並不是因為線路問題，而是在離他們不遠的賓夕法尼亞大學，誕生了一個「龐然大物」。
這個「龐然大物」佔地170平方米，重達30噸。它以電為生，功率高達150千瓦。它的啟動，直接拉低了附近居民用電的電壓，所以導致電燈變暗。
這個「龐然大物」究竟是什麼呢？
沒錯，它就是人類第一臺通用電子計算機——ENIAC（埃尼阿克）。
ENIAC
ENIAC採用了17468根真空管（這也是它體積大、耗電高的主要原因之一），每秒能夠完成5000次加法或400次乘法，約為手工計算的20萬倍。
它的誕生，對整個人類來說擁有極為重要的意義，標誌著人類正式邁入了電子計算機時代。
█ 從結繩記事到阿拉伯數字：算力的萌芽
ENIAC是一個里程碑。它將人類算力發展史分為了前後兩個部分。
在繼續下半部分之前，我們還是先來回顧一下上半部分的歷程。
從遠古時期開始，人類就掌握了算力。我們的「原生」算力工具，就是大腦。
我們運用算力的過程，叫做「思考」。相對應的，我們收集資訊的過程，叫做「觀察」。
所謂「計算」，其實就是解決問題的過程。遇到問題，通過計算解決問題，就實現了進步和發展。
在整個過程中，人類是主體，資訊是輸入和輸出物。經驗和技術，則是方法。而完成整個計算過程的能力，就是算力（Computing Power）。
動物也有大腦，也有算力，但是遠遠不如我們強勁。在漫長的進化過程中，我們的大腦越來越發達，最終幫助我們從萬物生靈中脫穎而出，成為了地球的主宰。
在人類早期階段，之所以需要算力，是為了生存。主要的計算內容，是如何狩獵，如何防範襲擊，如何繁衍後代。
後來，有了基本的生存保障，人類就開始將更多的算力用於改善生存質量，例如搭建房屋、交易物品、製造工具等。
計算是對資訊進行處理的過程。所以，如何表達和記錄資訊，是實施計算的第一步。
在原始社會，為了更好地描述自己觀察到的資訊（所見、所聞、所想），也為了更方便地進行資訊溝通，就開始繪畫。
原始人的壁畫
後來，在繪畫的基礎上，又發明了文字。
早期象形文字
文字，其實就是用表意符號對資訊進行「編碼」。
它是物理世界和精神世界的一種對映和表達。有了文字，資訊的記錄和傳遞效率大幅提升，人類社會有了更強的聯結力，歷史和文明也更易於傳承。
文字裡面，還有一種很特殊的符號，那就是數字。
所有的人類早期先進文明，都有自己的文字，也有自己的數字系統。例如巴比倫文明的六十進位制，瑪雅文明的二十進位制或十八進位制，中國和古埃及的十進位制。
數字出現後，人們將計數和算數的過程，稱為計算。（我們姑且將前面宏觀的計算稱為「廣義的計算」，這裡稱為「狹義的計算」。）
古希臘在數字和計算上比較領先，很早就創立了算術、幾何、代數等獨立學科。
古希臘思想家、哲學家、數學家畢達哥拉斯發現並證明了勾股定理，是那一時期計算水平的標誌。
畢達哥拉斯
後來，畢達哥拉斯學派主張用數來解釋一切，認為不僅萬物都包含數，而且「萬物皆是數」。
現在看來，這種思想極具前瞻性。也有人將其改成：「萬物皆比特」。
人類社會不斷進步，計算需求也變得越來越複雜。僅僅依靠大腦這個「原生」算力工具，不太夠用。即便是用上手指、腳趾，也不行。所以，我們開始藉助外部算力工具。
最早期，我們使用的外部算力工具是草繩、石頭，也就是所謂「結繩記事」。
中國關於結繩記事的記載出自《易經》中的《繫辭下》:「上古結繩而治,後世聖人易之以書契。」 我們現在常見的中國結，也源於「結繩記事」。
結繩記事
後來，文明繼續發展，我們有了算籌（一種用於計算的小棍子）。
在中國，算籌誕生於春秋戰國時期。我們經常用到的成語，例如運籌帷幄、一籌莫展、技高一籌等，都是和算籌有關。
公元480年，祖沖之把圓周率精確計算到小數點後第七位（3.1415926），採用的工具就是算籌。他的這一記錄，保持了900多年。
祖沖之
除了算籌之外，我們還有一個更知名的算力工具，那就是算盤。
算盤的具體誕生時間已經無從考證。有人說是秦朝，也有人說是東漢。東漢時期徐嶽的著作《數術記遺》中，最早出現了「珠算」這個字眼。
算盤的歷史價值不需要我多說。直到現在，我們還能看到它的身影。
算盤
公元3世紀，笈多王朝的古印度人發明了阿拉伯數字，意義重大。後來，阿拉伯帝國崛起，將阿拉伯數字帶到了歐洲。
同樣被帶到歐洲的，還有中國四大發明之一的造紙術。
前面我提到，圖畫和文字是人類表達資訊的方式。這些資訊，肯定是需要載體的。早期的載體，是龜甲、獸骨、獸皮、竹簡、木牘、縑帛。這些載體要麼稀少，要麼昂貴，要麼無法長期保存。
西漢時期，造紙術在中國出現，但工藝簡陋，質量不佳。後來，東漢元興元年（105年），宦官蔡倫總結前人經驗，對造紙工藝進行改進，顯著提升了紙的質量，也為紙的普及奠定了基礎。
蔡倫
紙的出現和普及，大大方便了資訊的記錄和傳遞，有利於文化傳播，也提升了生產效率。
阿拉伯數字和造紙術傳入歐洲，前者取代了冗長的羅馬數字，後者取代了昂貴的羊皮和小牛皮。再加上後來，中國的印刷術又傳了過去，大大促進了歐洲文化的發展。
這一切，也為後來的文藝復興和科技萌芽鋪平了道路。
█從計算尺到差分機：算力的蓄力
公元14世紀，正如大家所知道的那樣，歐洲開啟了文藝復興，人文主義的思潮佔據主流，人們開始倡導通過觀察和實驗來認識世界。
到了16世紀，歐洲的科技就開始爆發了。
那一時期，整個歐洲群星璀璨，藝術和科學領域碩果累累，生產力水平直線上升。
數學作為所有科學學科的基礎，取得的研究進展是最大的。解析幾何學、微積分等，都誕生了。一大堆天才數學家，輸出了海量的研究成果，不僅為其它學科的騰飛奠定了基礎，還直接促成了後來的工業革命。
當時，為了更好地服務於數學計算，人們發明了新型的算力工具。例如1625年，英國數學家威廉·奧特雷德（William Oughtred）發明了計算尺。1642 年，法國數學家布萊茲·帕斯卡（Blaise Pascal）發明了人類最早的機械計算機。
這些發明，可以輔助完成對數計算、三角函數計算、開根計算等複雜任務，提升計算效率。
後來，17世紀末到18世紀中，德國數學家戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）等人，先後設計和製造了能夠計算乘法的設備，將算力工具提升到更高的層級。
萊布尼茨
18世紀60年代，第一次工業革命爆發，將人類帶入蒸汽時代。
動力機械崛起，開始取代手工勞動，成為主要生產力。算力工具，也開始向更先進的機械化方向演進。
算力工具想要機械化，首先要解決資訊表達方式的問題。因為機器是不識字的，先要發明讓機器看得懂的「語言」，才能讓機器按命令工作。
這個早期的機器語言表達方式，就是「打孔」。
1725年，法國人巴斯勒·布喬（Basile Bouchon）發明了打孔卡（穿孔卡），用於織布機。
織布機在編織過程中，編織針會往復滑動。根據打孔卡上的小孔，編織針可以勾起經線（沒有孔，就不勾），從而繪製圖案。換言之，打孔卡是儲存了「圖案程序」的儲存器，對織布機進行控制。
這一發明，標誌著人類機械化資訊儲存形式的開端。
1801年，法國織機工匠約瑟夫·馬里爾·雅卡爾（Joseph Marie Jdakacquard）對打孔卡進行了升級。
他將打孔卡按一定順序捆綁，變成了帶狀，創造了穿孔紙帶（Punched Tape）的雛形。這種紙帶，被應用於提花織機。
大家應該能看出來，打孔其實就是一種資訊編碼方式。它比文字和數字更加簡單，讓人與機器可以進行「溝通」。
1811年，20歲的英國發明家查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）從提花織機中獲得靈感，開始設計製造一臺名叫「差分機」的設備。
巴貝奇
十年後，這臺「差分機」製造完成，可以進行多種函數運算，運算精度達到了6位小數。
在這個成就的鼓舞下，巴貝奇又啟動了第二臺「差分機」的研究，精度將達到20位。英國政府也資助了他的研究。
可惜的是，因為這個機器的設計太過超前（有25000多個零件，主要零件的誤差不得超過每英寸千分之一），當時的機械製造水平，很難達到精度要求。所以，在歷經二十年，耗費了鉅額資金之後，這個「差分機」還是未能製造出來。
後人復刻的差分機二號，驗證了可以正常工作
在這個過程中，1834年，巴貝奇還提出了一個更大膽的想法——設計一個以蒸汽為動力的通用數學計算機，能夠自動解算有100個變數的複雜算題，每個數可達25位，速度可達每秒鐘運算一次。
巴貝奇把這種新的設計叫做「分析機」。
「分析機」和第二臺差分機一樣，最終未能製造成功。但「分析機」中包含的很多設計，例如送入和取出資料的機構、以及「儲存庫」和「運算室」，和一百多年後的計算機如出一轍。
因此，「分析機」被後人稱為世界上第一臺計算機。而巴貝奇，則被譽為計算機鼻祖。
值得一提的是，與巴貝奇進行技術合作的，有一個小姐姐，名字叫阿達·奧古斯塔（Ada Augusta）。她是詩人拜倫的獨生女。當時，她負責為「分析機」程式設計。她也因此被稱為世界上第一個「程式設計師」。
阿達·奧古斯塔
1878年，瑞典發明家奧涅爾在俄國發明瞭一種齒數可變的齒輪計算機，也算是機械計算機的代表之一。
到了1885年，已經有越來越多的計算機在歐美國家誕生，成為一種風潮。
1890年，一個牛人的出現，讓打卡孔技術進一步發揚光大。這個人，就是德裔美國人——赫爾曼·何樂禮（Herman Hollerith）。
赫爾曼·何樂禮
赫爾曼·何樂禮在打孔卡的基礎上，發明了打孔卡製表機，專門用於收集並統計人口普查資料。
打孔卡製表機
打孔卡製表機的統計速度更快。
根據史料記載，在1890年的美國人口普查中，通過打孔製片和打孔機，僅6周就完成了統計工作，得出了準確的資料（62622250人）。而此前1880年的美國人口普查，資料全靠手工處理，歷時7年才得出最終結果。
如此巨大的效率提升，使得製表機在各個行業迅速普及。它標誌著半自動化資料處理時代的開始。
打孔卡技術，直到1960年代都還在使用
後來，1896年，赫爾曼·何樂禮創辦了製表機器公司（Tabulating Machine Company）。這家公司，就是IBM公司的前身。
█從圖靈機到ENIAC：算力的崛起
進入20世紀後，隨著電子技術的飛速發展，計算機就開始了由機械向電子的過渡。
機械時代的計算機，可以通過齒輪或者帶刻度的圓柱，進行數字的標記。到了電子時代，這樣做就不太合適了。電的特點是有（通電）和無（不通電），它比較適合的，顯然是二進位制。
17世紀後半葉，德國數學家萊布尼茨率先提出了二進位制（是的，又是他。他也是微積分的發明人。）
他形象地用１表示上帝，用０表示虛無，上帝從虛無中創造出所有的實物。
19世紀中葉，英國數理邏輯學家喬治·布爾（George Boole）提出了邏輯代數（後來被人們稱為「布爾代數」）。
喬治·布爾
他通過二進位制，將算數和簡單的邏輯統一起來，通過使用與、或、非等邏輯運算子，以及基於真和假的二值邏輯，為我們提供了一種理解和操縱邏輯關係的工具。
布爾代數為計算機的二進位制、開關邏輯電路的設計鋪平了道路，並最終為現代計算機的發明奠定了數學基礎。
除了邏輯基礎之外，硬體當然也要跟上。
1904年，英國人約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）發明了真空電子二極體，可以實現單向導電，檢波、整流。1906年，美國人德·福雷斯特（Lee De Forest）在二極體的基礎上加以改進，發明了真空三級電子管，可以實現信號放大。
德·福雷斯特
真空管的出現，推動人類電子技術向前邁了一大步，補足了硬體短板。
那一時期，資訊儲存技術也有了很大進步。
1898年，丹麥工程師瓦蒂瑪·保爾森（Valdemar Poulsen）在自己的電報機中首次採用了磁線技術，使之成為人類第一個實用的磁聲記錄和再現設備。
1928年，德國工程師弗裡茨·普弗勒默（Fritz Pfleumer）發明了錄音磁帶。1932年，奧地利工程師古斯塔夫·陶謝克（Gustav Tauschek）發明了磁鼓儲存器。磁性儲存時代正式開啟。
磁鼓儲存器
1937年，英國劍橋大學的阿蘭·圖靈（Alan M. Turing）提出了被後人稱之為”圖靈機”的數學模型。這為現代計算機的邏輯工作方式指引了方向。
阿蘭·圖靈
同樣是1937年，貝爾試驗室的喬治·斯蒂比茲（George Stibitz）展示了用繼電器表示二進位制的裝置。儘管僅僅是個展示品，但卻是第一臺二進位制電子計算機。
二戰爆發後，軍事需求大大刺激了算力的發展。軍方需要更加強勁的算力，完成密碼加密解密、火炮彈道計算甚至火箭發射等重要任務。
1941年12月，德國人康拉德·楚澤（Konrad Zuse）製作完成了世界上第一臺可程式設計電子計算機——Z3。這臺計算機用於空氣動力學計算，使用了大量的繼電器和真空管，每秒鐘能作3到4次加法運算，一次乘法需要3到5秒。後來，Z3毀於柏林轟炸。
康拉德·楚澤和Z3（復刻版）
1942年，美國愛荷華州立大學物理系副教授阿塔納索夫（John V.Atanasoff）和他的學生克利福德·貝瑞（Clifford Berry）設計製造了世界上第一臺電子計算機，名為”ABC”（Atanasoff-Berry Computer），也被稱為「珍妮機」。
ABC計算機
ABC使用了IBM的80列穿孔卡作為輸入和輸出，使用真空管處理二進位制格式的資料。資料的儲存，則是使用的再生電容磁鼓儲存器（Regenerative Capacitor Memory）。
雖然ABC無法進行程式設計（僅用於求解線性方程組），但使用二進位制數字來表示資料、使用電子元件進行計算（而非機械開關）、計算和記憶體分離等特點，都足以證明它是一臺現代意義上的數位電子計算機。
1944年，在IBM公司的支持下，哈佛大學博士霍華德·艾肯(Howard Aiken) 成功研製了通用電子計算機——Mark I，也稱ASCC（Automatic Sequence Controlled Calculator，自動控制序列計算器）。
霍華德·艾肯與MARK I
Mark I長16米，重4.3噸，擁有75萬個零部件，使用了800公里長的電線，300萬個連接、3500個多極繼電器、2225個計數器。
它可以在一秒鐘內進行3次加法或減法。乘法需要6秒，除法需要15.3秒，對數或三角函數需要超過1分鐘。當時，它被用來為美國海軍計算彈道火力表。
值得一提的是，第一個在Mark I上運行的程序是由馮·諾依曼（John von Neumann）於1944年3月29日發起的。當時，馮·諾依曼正在研究曼哈頓計劃，需要確定內爆是否是原子彈的可行選擇。
馮·諾依曼
還需要提一句，Mark I的研究團隊中，有一位名叫格蕾絲·霍珀（Grace Hopper）的海軍預備役女軍官。「bug」這個詞，就是她引入的。
1945年，Mark II在運行過程中，飛進了一隻飛蛾，導致出現故障。霍珀消滅了飛蛾，解決了問題，成為第一個「調試（debug）」計算機的人。
這隻飛蛾還被貼在Mark II的日誌上
終於，到了1946年2月，如本文開頭所說，ENIAC誕生了。
正在操作ENIAC的女程式設計師
這裡需要澄清一下，雖然人們一貫將ENIAC稱為世界上第一臺數字式電子計算機，但這個說法其實是有爭議的。前面提到的ABC，就是這個稱謂的有力爭奪者。
ENIAC甚至稱不上第二。那一時期問世的數位電子計算機很多，嚴格來說，ENIAC只能排第11。國外主流觀點認為，ENIAC的設計者盜竊了ABC的設計。1973年，美國法院也裁定，取消了ENIAC的專利，認定ENIAC專利是ABC的衍生品。
關於誰是第一，我們就不討論了。反正，1945年左右，電子計算機誕生的浪潮，標誌著人類算力正式進入了數位電子計算機時代。
波瀾壯闊的資訊技術革命，即將開啟。
未完待續……
敬請期待——《世界算力簡史（下）：資訊革命》
參考文獻：
1、《計算機的發展歷史彙總》，網路；
2、《算力發展簡史》， 廬山真容；
3、《誰發明了 Mark I 計算機？》，thoughtco.com；
4、《機械史上的巔峰之作！來看看差分機》，前沿數控技術；
5、維基百科、百度百科；
