全世界第一台电子计算机诞生背后的故事

我们来详细介绍世界上第一台电子计算机——ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) 的开发背景、地点、人员以及功能对比。

世界上第一台电子计算机：ENIAC

开发背景

ENIAC 的诞生，与第二次世界大战的紧迫需求密不可分。战争期间，美国陆军弹道研究实验室（Ballistic Research Laboratory, BRL）面临着一个巨大的挑战：快速准确地计算炮弹的弹道轨迹。

每种新型火炮或炮弹都需要一套新的射表，而计算一张射表（包含数百个复杂微分方程的解）需要数十名甚至上百名“计算机”（这是当时对从事计算工作的人的称呼，通常是女性）使用机械计算器和手摇计算器耗时数周才能完成。这种效率在瞬息万变的战场上是远远不够的。例如，计算一个复杂的弹道轨迹可能需要20小时，而子弹飞抵目标只需几分钟。

正是为了解决这种计算瓶颈，提升军事决策的效率和准确性，美国军方迫切需要一种能够大幅提高计算速度的机器。这直接催生了ENIAC的研发项目。

开发地点

ENIAC 的开发地点是：美国宾夕法尼亚大学的莫尔学院 (Moore School of Electrical Engineering at the University of Pennsylvania)。

具体来说，它是在莫尔学院的地下室中设计和建造的。

开发人员

ENIAC 的主要开发人员是：

1. 约翰·莫奇利 (John W. Mauchly)：物理学家兼电气工程师，他是ENIAC的主要构思者和理论发起人。他认为利用电子管的开关速度可以大大提高计算效率。
2. J. Presper Eckert (小普雷斯珀·埃克特)：电气工程师，莫奇利的主要合作伙伴和总工程师。他负责ENIAC的具体电路设计和工程实现，将莫奇利的理论构想变为现实。

此外，还有一支庞大的工程师和技术人员团队参与了ENIAC的建造工作，以及六位女性程序员（凯·麦克纳尔蒂、贝蒂·詹宁斯、贝蒂·斯奈德、梅尔巴·罗伊、弗兰·比拉斯、玛丽昂·韦斯特布兰德）负责编程和调试。

功能对比 (与当时的机械计算器和现代计算机)

为了更好地理解ENIAC的革命性，我们将其功能与当时的计算工具和现代计算机进行对比：

1. 与当时的机械/机电计算器对比：

• 速度： 这是ENIAC最显著的优势。
  • 机械计算器： 完成一次乘法可能需要几秒甚至几十秒。计算一张弹道表需数周。
  • ENIAC： 每秒可进行5000次加法或357次乘法。计算一张弹道表仅需30秒！这种速度是当时人工和机械计算的上千倍。
• 精度： ENIAC可以进行10位十进制数的精确计算，足以满足弹道计算的需求。
• 自动化程度：
  • 机械计算器： 主要依赖人工操作，每一步运算都需要手动输入和记录。
  • ENIAC： 首次实现了完全电子化、可编程的运算流程。虽然编程方式相对原始（通过插线板和开关），但一旦程序设置好，它就能自动连续执行大量计算。
• 体积与能耗：
  • 机械计算器： 相对较小，能耗低（或完全手动）。
  • ENIAC： 极为庞大，占地167平方米，重达27吨，包含17468个真空管、7200个二极管、1500个继电器、70000个电阻器、10000个电容器，耗电150千瓦。它需要一个大型房间来容纳，且产生的热量巨大。
• 可靠性：
  • 机械计算器： 相对稳定，但长期操作易磨损。
  • ENIAC： 由于大量真空管的存在，故障率较高（平均每隔几天就会有一个真空管烧毁），但通过模块化设计可以相对快速地进行排查和更换。

2. 与现代计算机对比：

• 架构：
  • ENIAC： 采用十进制计算，而不是现代计算机普遍使用的二进制。它也没有采用冯·诺依曼架构（即程序存储在内存中），程序通过外部插线和开关设置，存储程序概念尚未成熟。
  • 现代计算机： 普遍采用二进制，并遵循冯·诺 Neumann 架构，将指令和数据一同存储在内存中，极大提高了灵活性和编程效率。
• 编程方式：
  • ENIAC： 通过物理连接电缆和设置数千个开关进行“编程”，耗时耗力，需要数天甚至数周才能完成一个程序的设置。
  • 现代计算机： 通过高级编程语言编写软件代码，然后在操作系统中运行，编程效率极高。
• 输入/输出：
  • ENIAC： 使用穿孔卡片进行输入和输出。
  • 现代计算机： 多种多样的输入设备（键盘、鼠标、触摸屏、麦克风等）和输出设备（显示器、打印机、扬声器等），接口丰富。
• 处理能力：
  • ENIAC： 每秒数千次运算。
  • 现代计算机： 处理器（CPU）每秒可执行数十亿甚至数万亿次指令，图形处理器（GPU）在并行计算方面能力更强。
• 体积与能耗：
  • ENIAC： 巨型，高能耗。
  • 现代计算机： 从大型机到个人电脑，再到智能手机和平板电脑，体积越来越小，能耗越来越低，便携性极高。
• 通用性：
  • ENIAC： 最初设计用于弹道计算，虽然也用于其他科学计算，但其编程的复杂性限制了其通用性。
  • 现代计算机： 极其通用，可以运行各种软件，完成从文字处理到游戏，从科学模拟到人工智能等几乎所有任务。

总结：

ENIAC是计算机发展史上的一个里程碑，它首次将电子速度引入计算领域，证明了电子计算机的巨大潜力。尽管与现代计算机相比显得原始和笨重，但它奠定了电子计算的基础，开启了信息时代的序幕，对后来的计算机设计和发展产生了深远的影响。