Physics, Physicists and the History of Computation and Computers 東海大學數學系 ‧ 環科系 ‧ 物理系 計算科學總論

1. 物理學、物理學家與電腦的歷史 Physics, Physicists and the History of Computation and Computers 東海大學數學系‧環科系‧物理系 計算科學總論

2. Computer： 原意為計算員，通常指探勘、測量相關工作之計算 起源：數學表的製作—對數表、三角函數表等 用途： • 船員使用的航海表 • 天文學家使用的星表 • 保險人員使用的人壽保險表 • 建築師使用的土木工程表 英國自1766年起每年制訂一份航海表，稱為「Nautical Almanac」，為船員必備聖經。

3. Charlies Babbage（1791-1871）： Babbage發現，當時常用的航海表及工程表，有超過一千個以上的錯誤，造成了許多重大災難，由於這些表是人工手算的，因此他希望能開發出可以代替計算員的機械。他於1823年設計出「差分機一號」(Difference Engine No.1），但建造失敗，十年後提出改良版的「差分機二號」。

4. Babbage's Difference Engine No.2

5. Analytical Engine 為分析儀寫出一篇著名論文「平反」的Ada Lovelace（1815~1852） ，美國國防部開發的一套程式語言以她為名。 後來Babbage因為有了更好的點子：分析儀而放棄了差分儀，分析儀具有類似「程式化」的現代計算機功能，然而卻沒有受到英國政府的認可補助。

6. George Boole Boole在1847~1852年間發展出Boolean代數，對電腦的邏輯運算有很重大的影響。 Boolean代數的數字集為{0,1}（相當於FALSE及TRUE），其運算元有聯集（相當於OR）、交集（AND）、以及反（相當於NOT）。

7. Lord Kelvin (1824~1907) 英國物理學家 Lord Kelvin 於 1876 年發明了以機械裝置模擬計算海水所受的引力大小，據此將海平面高度描繪在紙捲上的「潮汐預報機」。此為一典型的類比計算器，一直到1950年數位計算機出現才將之取代。

8. 大量資料儲存與處理：打孔置的誕生： 1790年，美國開始進行人口普查。隨著人口不斷增加，工作量因而暴增。1880年時，普查報告厚達21000頁，使得傳統人工方法不敷使用。Hollerith發明了「列表機」（Tabulator），成功完成1890年的普查工作。 Herman Hollerith (1859~1929)

9. Tabulator的關鍵是，將人口普查的資料以一定規則排列的孔洞記錄在紙帶或卡片上，然後用這些機器計算這些打孔卡片所攜帶的資料。於 1890年的普查中，共完成 62,622,250人的統計資料，報告厚達兩萬六千四百零八頁。

10. Watson & IBM 1914 年Watson加入 CTR（Computing Tabulating Recording Co.） 擔任 總經理，這家公司擁有Hollerith打孔卡片系統的專利權。1924 年這家公司 改名為「國際商業機器」（International Business Machine Co.）即今日 的IBM，主要商品仍是打孔卡片系統。歷經1929年大崩盤以及三零年代初期大蕭條之洗禮，IBM的傳奇於焉開始。 Thomas J. Watson 1874~1956

11. Konard Zuse (1910~1995) 德國科學家，於二次大戰期間建造了第一部可以編寫程式的計算機Z1（1936），被許多人視他現代電腦的發明者。Zuse並且開發了第一個高階程式語言「Plankalkul」。

13. 原版的 Z1 於 1943 年被盟軍摧毀，Zuse 於 1989 年根據原設計 重建了 Z1。

14. 1941年Zuse利用大量報廢的實驗室零件建造了Z3，功能更加完整，一般視其為現代電腦的鼻組（Z1為原型機）。Z3由三大單元組成：控制單元、儲存單元、運算單元。工作時脈為5~10Hz，每作一次加法的時間是0.7秒，乘除法為3秒，重量一公噸，消耗功率4千瓦。1944年被炸毀，右圖為1960年重建的Z3。1941年Zuse利用大量報廢的實驗室零件建造了Z3，功能更加完整，一般視其為現代電腦的鼻組（Z1為原型機）。Z3由三大單元組成：控制單元、儲存單元、運算單元。工作時脈為5~10Hz，每作一次加法的時間是0.7秒，乘除法為3秒，重量一公噸，消耗功率4千瓦。1944年被炸毀，右圖為1960年重建的Z3。

15. 1941 : ABC — Atanasoff-Berry Computer 第一部數位電子式電腦，建造於愛荷華州立大學，採用了磁鼓式動態存取記憶體（Drum DRAM）、電子 開關、二進位演算法等，對後來的發展影響極大。由於當時ENIAC搶盡了鋒頭，Atanasoff因此被稱為「被遺忘的電腦之父」。 J.V. Atanasoff & C. Berry

16. 1941 : Harvard Mark I 正式名稱為IBM自動控制序列計算機（Automatic Sequence Controlled Calculator），為IBM贊助哈佛大學建造，主要功能 是計算彈道、破譯密碼。主要負責人是Howard Hathaway Aiken (1900~1973)，重達五噸，每秒可作三次加法，乘除法耗時六秒。速度雖然慢，不過卻是第一台「全自動機器」，也可說是機械式計算機的「盡頭」。。

17. 1946 : ENIAC ENIAC為 Electronic Numerical Integrator and Computer之縮寫。 為了計算彈道射擊表，由彈道研究實驗室以及賓州大學摩爾電機學院計畫開發，發明人為Eckert與Mauchly。1945年11月建造完成，重達三十噸，佔地一千平方呎，耗能150kW（第一部具有獨立空調的電腦），內含18000支真空管（當時最大的電子儀器約有400支）。計算時脈為100Hz，每秒作5000次加法，400次乘法。於1955年退役。 J.P. Eckert (1919~1995) J.W. Mauchly (1907~1980)

19. 1920~30年代，以人工計算射擊表，60秒的彈道計算耗時20小時，1935年以類比計算機計算，時間縮短為15分鐘，ENIAC則可在數秒內計算完成。1920~30年代，以人工計算射擊表，60秒的彈道計算耗時20小時，1935年以類比計算機計算，時間縮短為15分鐘，ENIAC則可在數秒內計算完成。

24. 電子技術 vs. 邏輯結構 1944年，數學家馮紐曼（John von Neumann，1903~1957）造訪了摩爾學院 ENIAC的實驗室。在他到訪之前，Eckert曾說：「要知道馮紐曼是不是一個真正的天才，就看他的第一個問題是不是：『這部機器是否會變成邏輯的結構？』」這的確是馮紐曼的第一個問題。之後馮紐曼成為計畫的顧問，致力於研究機器的數學與邏輯結構。 John von Neumann 1903~1957

25. 邏輯閘（Logic Gate） (b) B=Ā (a) B=A

26. "OR" gate: C=A∪B

28. 二進位加法： 240+204 相對的邏輯電路

29. 馮紐曼加入ENIAC 計畫後，開始進行改良設計，他認為 ENIAC 主要的缺點為： 1. 儲存容量太小 2. 真空管太多 3. 程式化時間過長 前兩點以Mauchly為首的技術人員加以改進，而第三點由馮紐曼提出的新架構「儲存程式電腦」（stored-program comptuer）改善。

30. 馮紐曼架構最大的特徵是，將程式「編碼」後，儲存於記憶體中，而不再由外部的機械或是電子開關控制。也就是說，將程式指令也變成「資料」，運算單元自記憶體中讀取指令來執行。此概念產生了深遠的影響：設計時無須考慮特定題目，電腦擁有了廣泛的通用性。馮紐曼架構最大的特徵是，將程式「編碼」後，儲存於記憶體中，而不再由外部的機械或是電子開關控制。也就是說，將程式指令也變成「資料」，運算單元自記憶體中讀取指令來執行。此概念產生了深遠的影響：設計時無須考慮特定題目，電腦擁有了廣泛的通用性。

31. EDVAC: Electronic Discrete Variable Automatic Computer ENIAC順利開發與馮紐曼的加入，讓ENIAC團隊充滿信心，於是在馮紐曼提議下，向彈道實驗室提出了下一代的機種：EDVAC。

32. EDVAC 馮紐曼針對 ENIAC 的缺點，對 EDVAC 提出了三個建議： 1.新的計算機應採取二進位，而不是ENIAC所採用的十進位，以節省記憶體。 2.改變記憶體的硬體架構。 3.邏輯架構重新設計，以減少電子元件數目，增加可靠性。

33. Mercury Delay Line 為了解決記憶體不足的問題，Eckert採用了當時雷達的技術：延遲線：將電子訊號轉變成水銀腔中的超音波，由於音波傳遞較電子訊號慢，五英尺長的延遲線可以產生約一毫秒的延遲，若一個電子脈衝長度為一微秒，則可以儲存1000位元的資料。

34. EDVAC • 採用二進位 • 延遲線的設計 • 邏輯結構的重新規劃 大幅減少了真空管的使用量，EDVAC一共有3600支真空管，只有ENIAC的五分之一，可靠度因而大大提升。

37. 1945年六月，馮紐曼寫下了著名的文獻：「First Draft of a Report on the EDVAC」，敘述程式儲存電腦的基本 概念，由於是做為內部文件初稿，引用資料並不完全，但是由於內容太過重要，後來廣為流傳的結果，「程式儲存電腦概念」一詞被「馮紐曼架構」所取代，也讓他獨享了現代電腦發明者的功勞。這個結果雖非有意，卻也引起了Eckert等同僚的不滿，造成了工程專家與邏輯學家之間進一步的分裂。

38. 磁芯記憶體：Magnetic Core Memory 1950年由MIT的（J.Forrester）研發成功，以磁性材料環作為儲存媒體。使用的原理為以一條導線通過此磁性環，通以不同方向的電流脈衝，則會引起不同的磁化方向（右手定則），以兩種不同的磁化方向代表0或1的二進位信號。

39. 實際的運作上，一個磁環必須通過四條導線，其中兩條為定址用，另外兩條為寫入與讀出。實際的運作上，一個磁環必須通過四條導線，其中兩條為定址用，另外兩條為寫入與讀出。 1954年，UNIVAC為第一部安裝磁芯記憶體的商用電腦。

41. 磁芯的尺寸越小，所需的驅動電流與功率消耗也越小、讀寫時間越短、可以更密集地排列縮小計算機體積、縮短電訊號在導線中的延遲。磁芯內外徑的比因此一路由2mm/1.3mm演變到0.18/0.10的程度。磁芯的尺寸越小，所需的驅動電流與功率消耗也越小、讀寫時間越短、可以更密集地排列縮小計算機體積、縮短電訊號在導線中的延遲。磁芯內外徑的比因此一路由2mm/1.3mm演變到0.18/0.10的程度。

42. 然而磁芯越小，製造的工藝越困難，以0.5/0.3的磁芯為例，為了製造16384個字長度32bit的記憶體，需要穿32塊128X128，尺寸為16cmX16cm的磁芯板（524288個磁芯），全部得以手工完成，當年許多電腦公司在亞洲地區建立磁芯生產線，利用大量的廉價婦女勞工來穿磁芯。1968年美國就生產了兩百億個以上的磁芯。然而磁芯越小，製造的工藝越困難，以0.5/0.3的磁芯為例，為了製造16384個字長度32bit的記憶體，需要穿32塊128X128，尺寸為16cmX16cm的磁芯板（524288個磁芯），全部得以手工完成，當年許多電腦公司在亞洲地區建立磁芯生產線，利用大量的廉價婦女勞工來穿磁芯。1968年美國就生產了兩百億個以上的磁芯。

43. 1950年代：電晶體電腦 1954年，德州儀器公司（Texas Instrument）引入電晶體技術，可以大幅降低電腦生產成本。1956年，UNIVAC電晶體版設計完成。

44. 1957: Fairchild Semicon. 與積體電路 Gordon Moore 與 Robert Noyce 於矽谷創立 Fairchild 半導體公司，生產電腦用的電晶體，主要客戶是IBM。 1958年，J. Kilby（德州儀器）發明第一個Si/Ge積體電路，次年，Fairchild亦提出積體電路設計，最後在專利申請時，由Fairchild拔得頭籌。 TI的第一個SI/GE積體電路，實際大小為0.04×0.062英吋。

45. 1963: 邏輯電路 Fairchild 於 1963 年推出的 907 邏輯電路，包含兩個邏輯閘，各由四個電阻以及四個電晶體。右圖實際大小為0.038×0.048英吋。

46. 1971：第一個微處理器—INTEL 4004 1968年Moore, Noyce 以及Andrew Grove創辦了INTEL 公司，於1971年推出了第一個微處理器4004。INTEL 4004為一 4-bit 之微處理器，內含2300個電晶體，可以在11微秒內完成一次加法。右圖實際大小為0.11×0.15英吋。

47. Moore’s Law

48. Limitation of Moore’s Law

49. 1988: Mathematica 1986年，曾任職於加州理工學院、普林斯頓高等研究院以及伊利諾大學的物理學家Stephen Wolfram創建了Wolfram Research，進行「符號計算」軟體的研發，於1988年推出了Mathematica的第一版

50. 1989: World Wide Web 1989年，CERN（歐洲原子核研究所）的物理學家Tim Berners-Lee為了方便與同事交換資料，開發出一種新的傳輸協定以及相關的語法： • HTTP: HyperText Transfer Protocol • URL: Uniform Resource Loc ator • Hypertext Markup Language 並且寫出了第一個瀏覽器程式以及架設了第一個WWW網站：info.cern.ch WWW的出現，造成網路世界空前的急速發展