手动计算设备

根据记载,人们最早使用的的计算设备是——算盘。

最早的算盘大约在公元前2500年,发明于美索不达米亚。由于当时的社会规模已经远远超出了人们的心算能力(比手指脚趾加一起还多),所以需要帮助计算加减,并且能存储计算状态的手动计算器。

算盘计数:6302715408

随着社会的发展,人们还发明了各种计算工具:

星盘,用于在海上计算维度
计算尺,用于帮助计算乘除法
日晷,用于计算潮汐,天体运动或计时

Computer

最早的 Computer 出现于1613年,是一种职业,专指负责计算的人。“Computer”们会借助一些工具来帮助计算,但主要还是靠人力。

“computer”们在工作

直到某一天,戈特弗里德·莱布尼茨说:“让优秀的人浪费时间算数简直侮辱尊严,文盲用机器能算得一样准”,于是他发明了步进计算器。


步进计算器有一串齿轮,每个齿轮10个齿,代表0-9,每次超过9就让前面的进一位,减法时反向运动。经过巧妙的设计,可以方便地进行多次加减法,来完成乘法和除法。

莱布尼茨步进计算器

机械化的计算器大大简化了计算器的操作方式,降低了计算人员的学习成本。但是这种计算器在计算较大的数字时,依然很费时间,往往一次计算要耗时几个小时到几天不等。另外因为造价高昂,因此它并没有得到足够的重视。

计算表

为了快速进行更为复杂的计算(例如指数,对数,三角函数等),人们将计算好的结果提前算好,并制成计算表方便查询。

在军事中,因为经常需要更为快速、精准的机选,计算表的方式得到了广泛的运用。例如在炮兵中,炮手发射的炮弹会因为风力、温度、大气压等等环境因素的变化而影响射程,而很难打中目标。使用射程表,通过当前的环境因素和射程,来快速计算出当前应当设置的炮的仰角,大大提高了命中率。

拿破仑军队中的炮兵计算表

但是,如果更换了新的火炮或者炮弹,对应的计算表都需要重新计算,依然会非常耗费人力和时间。

分析机

“随着知识的增长和新工具的诞生,人工劳力会越来越少。”

Charles Babbage 认为通过机器应该可以自己完成通用的计算过程,并于1837年设计出了分析机,可以自动运算一系列运算操作。

Ada Lovelace 为分析机写了假象的程序,并预言:“未来会诞生一门全新的,强大的,专为分析所用的语言“(计算机程序雏形)。

因为设计理念过于超前,分析机的制作成本过高,导致这个设备并没有真正制造出来。但是人们通常认为 Charles Babbage 是通用计算机之父,而 Ada Lovelace 是第一个程序员。

伦敦科学馆的分析机复制品

电动计算器

19世纪末,计算设备往往用于科学或者工程等特定领域。但是大量移民导致地人口增长,美国政府在1890年的人口普查中遇到了问题。

美国宪法规定每10年进行一次人口普查,统计各项数据,用于分配联邦资金等等。然而在1890年需要进行普查的时候,发现根据当时人口数量,统计计算各项数据需要13年之久!还没统计计算完就需要进行下一次普查了!

美国政府找到了 Herman Hollerith,发明了电动机械计算器。这个计算器采用传统步进计算器的方式进行计数,却将其他用于操作的结构用电动设备连接了起来。通过插入打孔的卡片,来控制电路系统,从而代替人力操作来完成统计和计算。

打孔计算器
打孔卡

这种计算器的运行速度大概是手动计算速度的10倍,在人口普查中为美国政府节省了大约500万美金的开支。

这个成绩使得越来越多的公司意识到打卡计算器的优势。于是,Hollerith 干脆成立了打卡机器公司,并在1924年与其他机械制造商合并,改名为 IBM(国际商用机器公司

之后

1900年代中叶,随着人口爆炸式增长以及贸易的兴起,社会对数据的计算量大大增加。但是机械计算器在长期运作中造成的磨损而产生的的计算错误以及成本提高问题越来越严重。人们迫切需求更快更灵活的工具处理大量的数据,这为电子计算机的发展奠定了基础,咱们下期讨论。