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算力发展简史
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2023.07.28 上海

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前言:读者朋友久违了!
中国信息通信研究院发布的《全球数字经济白皮书》显示,主要国家数字经济发展持续提速。总体看,2022年美国、中国、德国、日本、韩国等5个主要国家的数字经济总量为31万亿美元,数字经济占GDP比重为58%。而且比重还在不断增加。无论是否愿意,人工智能时代已经来临,而算力这个时代竞争的核心。算力应该是人人要高度关注的一个问题,否则人类面临的风险莫测。

一、算力

1978年,日本京都大学灵长类动物专家松泽哲郎训练了两只非常聪明的黑猩猩:小爱和小步。他发现黑猩猩能够识别阿拉伯数字,并记住数字的顺序。于是进一步对小爱的'儿子'小步进行训练,结果表明小布对数字顺序的短时记忆远远超过一般人。


2014年,哈佛大学研究人员发现,经过几个月的训练,恒河猴大致懂25以内的加法。
动物学家发现,松鼠、老鼠、鹦鹉甚至传粉昆虫等动物都有计数能力。
这说明,数学并非人类的专利,部分动物也有数量的概念,有数数和计算能力,甚至短时记忆能力超过一般人。
考古发现,几万年前的人类的计算能力也是现在最聪明的动物远远无法相比的。可以说:算力是人区别于动物的根本特征。

二、进制
世界各大文明都创造了自己的计数系统,除了巴比伦文明采用60进制,玛雅文明采用20进制外,大多是采用十进制,也有少量12进制和16进制等。
一些特殊进制:
8进制:8品脱=1加仑;
12进制:1英尺=12英寸,1打=12个,1年=12个月,1天=12时辰;
16进制:16盎司=1磅,1斤=16两(中国旧制);
60进制:1小时=60分钟;1分钟=60秒。

三、中国
中国商代就有百、千、万的概念,最大的数字为三万。
春秋战国时代,中国人发明了筹算,这是一种最早的十进制计算工具,可以方便进行加减乘除四则运算。运筹帷幄、一筹莫展、更胜一筹等成语就与筹算有关。
公元480年,祖冲之就是利用筹算把圆周率精确计算到小数点后第七位(3.1415926)。他的这一记录保持了900余年。
到了宋朝,筹算被珠算取代。珠算不仅携带更方便,计算速度也有所提高。

四、欧洲
古希腊哲人毕达哥拉斯发现并证明了勾股定理。毕达哥拉斯学派用数来解释一切,认为不仅万物都包含数,而且万物皆是数。其伟大思想,在两千多年后的今天的数码时代得到了验证。
欧几里得的《几何原本》用严密的演绎推理方法认证和计算图形的形状和数量之间的关系。这进一步确定了数学的理性、确定性、永恒性和真理性,为人类的科学发展奠定了坚实的基础。
祖冲之之前700多年,古希腊的阿基米德就准确计算了圆周率到小数点后第三位(3.1418),这一记录保持了400年,为古希腊和罗马帝国的航海技术发展打下了数学基础。
罗马时期的丢番图对代数的发展做出来杰出的贡献。
古希腊、古罗马时期,算术、初等几何、初等代数己成为独立的学科。
罗马帝国后期和东罗马帝国相当长时期,学术研究受到打压。学者们大量逃亡到阿拉伯地区,顺路带去了古希腊的学术经典
 
五、印度数字
公元3世纪,印度人发明了阿拉伯数字。最晚9世纪,印度人发明了 这个数字,这是人类历史上伟大的发明。随着阿拉伯人征服印度和欧洲的部分地区,阿拉伯数字被带到阿拉伯地区,再带到欧洲,阿拉伯人同时把古希腊的经典带回了欧洲。
欧洲的算力开始开挂,为大航海时代来临打下了基础。
17世纪,欧洲算力突飞猛进,出现解析几何学、微积分等,为工业革命奠定了基础。
8世纪,14世纪,阿拉伯数字曾两次传入中国,但都未成功。明末清初,传教士与中国学者合作,大量翻译西方著作,但书中的阿拉伯数字都被翻译为繁琐的汉字数字。
直到1875年,初版《笔算数学》才开始使用阿拉伯数字。从此,阿拉伯数字开始在中国使用。或许由于国人的骄傲自满,阿拉伯数字在中国使用被耽误了一千多年。

六、计算工具
前面提到的筹算可能算是最早的计算工具。本人上小学一年级时,就准备了100根10厘米长的树枝,这可以算是筹算的原始形态。筹算之后是算盘

1614年,苏格兰数学家约翰·奈皮尔发明了对数,1637年法国数学家笛卡儿开始使用指数符号。18世纪,瑞士数学家欧拉发现了指数与对数的互逆关系。即使400年后的今天,对几乎所有人来说,只有先理解指数才可能理解对数,而约翰·奈皮尔居然直接跳过指数而发明对数。请注意:是发明,而非发现。

利用对数,可以把繁琐的乘除计算简化为加减计算,大大提高了计算速度。对数计算尺应运而生,欧洲的算力快速提升。

后来有了更复杂的计算尺可以进行三角函数、双曲函数、开根等计算。

1822年,英国发明家巴贝奇耗时10年造出了一台'差分机',用来提高对数表等数学表的精度。之后,他设计出一种以蒸汽为动力的精度更高的“分析机”,耗时30多年和巨额资金,以失败告终。他的设计太超前,光零件就有25000个,以当时的机械制造水平很难达到精度要求。

与巴贝奇合作的诗人拜伦的独生女阿达·奥古斯塔则负责为“分析机”编程。为了纪念两位悲情英雄,巴贝奇如今被称为计算机鼻祖,而阿达则是程序员的鼻祖。五角大楼耗费巨资历时近20年开发的高级程序语言Ada就是以阿达的名字命名的。

1878年瑞典发明家奥涅尔在俄国发明了一种齿数可变的齿轮计算机。经过十多年的改进完善,他在俄国批量生产这种手摇计算机,俄国的算力因此得到快速的提升。俄国在1900年前后,在科学文化上有过一段辉煌的时期,与其算力显著提升相关。

工业革命后,各种计算工具还有很多。

计算尺、手摇计算机等计算工具直到1970年代电子计算器普及时才开始退出历史舞台。


七、大道至简

古希腊的毕达哥拉斯学派认为万物皆为数。
德国哲人莱布尼茨不仅发明了微积分,而且发明了二进制

英国数学家乔治·布尔首次定义了逻辑的代数系统,这种逻辑可以用二进制来编码信息,使计算机能够理解它们。

计算机之父图灵提出的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

1945年,计算机之父约翰·冯·诺依曼,吸取了图灵的思想,另外确立了电子计算机采用采用二进制,他确信,二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。

如今世界上的万事万物,到了计算机里面一律转化成0和1组成的数字,进行计算处理,最终计算机又把0和1组成的数字转化成人类可以理解的文字、图片、音频、视频等信息。

毕达哥拉斯学派的理想,两千多年后变成现实:万物皆是数,万数皆为0和1。


八、电子计算机

1942年,美国爱荷华州立大学物理系副教授阿塔纳索夫设计的世界上第一台电子计算机问世。该计算机不可编程,设计仅用于求解线性方程组。

1946年2月16日,ENIAC,全称为Electronic Numerical Integrator And Computer,即电子数字积分计算机,诞生于美国宾夕法尼亚大学。它能够编程,解决各种计算问题,是第一台通用电子计算机

承担开发任务的人员由科学家约翰·冯·诺依曼和“莫尔小组”的工程师埃克特、莫希利、戈尔斯坦以及华人科学家朱传榘组成,总工程师埃克特当时年仅25岁。

ENIAC长30.48米,宽6米,高2.4米,占地面积约170平方米,30个操作台,重约30吨,能耗150千瓦,造价48万美元(相当于现在的800万美元)。它包含了17,468根真空管(电子管),计算速度每秒5000次加法或400次乘法,约为手工计算的20万倍。

其最大的问题是,电子管寿命短,需要不断更换。最终被性能稳定功能更全的晶体管计算机取代。

ENIAC的诞生,标志着人类电子计算机时代来临。

冯·诺依曼在战后回到普林斯顿,耗时6年建造了IAS计算机,实现了他的冯·诺伊曼体系结构。IAS计算机完成后,其基本设计很快在世界各地的20多台不同的计算机上重新实现。

计算机标准和技术向世界扩散开来:欧洲、日本、苏联、中国......

九、芯片、电脑、手机
1947年12月16日,贝尔实验室制造出第一个晶体管。
1953年,第一个采用晶体管的商业化设备助听器投入市场。
1954年:第一台晶体管收音机问世。
1961年,第一个集成电路专利诞生。
1965年:摩尔定律诞生。戈登·摩尔预测,未来芯片上晶体管数量大约每18个月翻一倍(有1年、1.5年、1.8年、2年等多种版本)。

算力也遵循摩尔定律。1900~1946年,算力增加了106倍,平均2.308年增加一倍,1946~2040年,算力增加了1016倍,平均2.0212年增加一倍。

1968年7月:罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔仙童半导体公司辞职,创立英特尔公司
1969年,AMD公司成立,主打业务大致相当于英特尔的“边角料”。
同年,韩国的三星集团成立三星电子公司,以卖冰箱等家电为主。
1971年:英特尔发布了其第一个微处理器4004。
1972年,英特尔发布了第一个8位处理器8008。
1975年,比尔盖茨和艾伦在一间旅店房间创立了微软公司。专注于软件开发,发誓让地球上每一个人用上电脑。
1976年,乔布斯和几位朋友在车库创立了苹果公司,专注于精品电脑。
1978年,英特尔发布了第一款16位处理器8086,含有2.9万个晶体管。IBM个人电脑安装8088处理器。
1982年:英特尔80286(286)微处理器推出。
1985年:英特尔32位处理器386问世,含有27.5万个晶体管。
1987年,张忠谋在台湾创立台积电,专注芯片代工。
1993年:英特尔奔腾第一代处理器问世,含有300万个晶体管。
同年,黄仁勋创立英伟达,专注于显卡芯片。
1997年,奔腾·II推出。
1999年:奔腾·III问世,含有950万个晶体管。
此时,英特尔市值超过5000亿美元,而微软则达创纪录的6600亿美元(超过当年中国GDP的60%)。在PC时代,英特尔和微软是当仁不让的王者,苹果、英伟达和AMD的市值还不及两者的零头。
2000年:奔腾4发布,含有5500万个晶体管。
......
经过20多年激烈市场竞争,如今,虽然芯片销售额暂时仍是英特尔领先,但盈利能力则大幅度下降。专注精品的苹果转型成功引领移动互联网,成了全世界最赚钱的公司,市值登峰造极达到3万亿美元。
而微软错过了搜索、错过了移动互联网,2014年开始,在印度裔CEO萨蒂亚·纳德拉带领下,微软浴火重生,市值仅次于微软,高达2.5万亿美元以上。
长期被小瞧的英伟达一飞冲天,在人工智能火爆的当下,其一块GPU被爆炒至数万美金,成为最赚钱的芯片。公司2.6万员工,市值却高达1.1万亿美元,人均创造市值达4000多万美元(注:员工并非股东,这里仅仅是为了比较方便),可谓登峰造极,苹果、微软、特斯拉对应的这个值为1800万美元、1100万美元、650万美元。
而被“赶”出中国的三星公司,成为销售数量最大的智能手机品牌。台积电则'媳妇熬成婆',市值超5000亿美元,为英特尔的三四倍。而长期“打杂”的AMD市值则反超英特尔。

十、美国曼哈顿计划与中国的596工程

二战期间,美国曼哈顿计划,从1942年6月立项,到1945年7月16日试爆成功,耗时3年1个月。最高时有12.9万人参与。

为了完成极为繁杂的计算任务,曼哈顿计划设有专门的计算部门位于新墨西哥州的Los Alamos,雇了几千人,大多数是有数学和物理背景的女性,还有就是工程人员的妻子。他们的任务就是算数。他们的计算工具有多种:

13位精度手摇机械计算机


MARCHANT电动机械计算器

1943年下半年,开始试用IBM生产的穿孔卡片式计算机IBM计算机最终胜出,节省了工作人员的时间和体力。

现在看来,美国曼哈顿计划的计算工具非常落后,但在当时,美国生产和使用计算工具的能力在世界上遥遥领先,决定了美国的算力领先世界,最终决定了美国率先制造出原子弹。

中国第一个原子弹计划于1955年1月立项,当时处于中苏蜜月期,苏联专家提供了原理、部分图纸和基本数据(其中有错误)。1959年6月,苏联撕毁了双方签订的有关国防新技术的协定。1960年,苏联专家全部撤走。项目于是改为596工程,以铭记苏联单方面撕毁合同。596工程准确参与人数不详,一般认为30万以上。
中文网上长期流传中国第一颗原子弹是算盘算出来的或者是手摇计算机摇出来的。其实这是以讹传讹。当时用算盘、计算尺、手摇计算机仅仅是起到了辅助作用,在整个计算量中可以忽略不计。
1958年,中国第一台电子计算机问世,并实现少量生产,名为103型计算机。平均每秒运算1万次,接近当时英国、日本计算机的性能,计算能力为手工计算的几十万倍。中国的算力急剧提升
103型计算机
图源:中科院计算技术研究所

1959年,104型计算机也问世了。
它就是中国科学家在研发第一颗原子弹时使用的主力机型。

104型计算机
图源:中科院计算技术研究所

1964年10月16日,中国第一颗原子弹实验成功;从立项到试爆成功,耗时近10年。

1969年7月20日,阿姆斯特朗成功登月。


所以比较准确的说法是,美国研究原子弹是靠'人工计算机'(human computers)算出来的,而中国研究第一颗原子弹主要是靠电子计算机算出来的。

可以说,算力即一个国家的核心能力。

(未完待续)

——地球村公民占全喜
2023年7月26日
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