白话架构（2）- 从30吨“电老虎”到掌心设备：四代计算机的迭代史诗

戈登·摩尔：摩尔定律终将失效，但创新不会停止……未来需要材料、架构、算法的协同突破。

在前一篇文章中，我们追溯了计算机的起源，见证了数字时代的萌芽。今天，我们将顺着时间线，走进四代计算机的演化历程——从体积庞大的电子管计算机，到如今融入生活的个人电脑，每一次迭代的背后，都是技术与创新的双重突破，更是架构体系不断完善的过程。

第一代（1946 年起）：电子管时代，30 吨“电老虎”开启计算元年

1946 年，第一代计算机的代表——ENIAC 诞生了。它的全称是 Electronic Numerical Integrator and Computer，中文译为电子数值积分计算机。这串冗长的英文缩写，是不是像极了漫威神盾局（S.H.I.E.L.D.）的命名风格？神盾局全称Strategic Homeland Intervention, Enforcement and Logistics Division，中文是“国土战略防御攻击与后勤保障局”，两者都藏着“低调的霸气”🤣。

提到 ENIAC，就绕不开冯·诺依曼。他在 ENIAC 研发后期加入顾问团队，随后和团队一起确立了影响至今的冯·诺依曼架构。

冯·诺依曼一眼看穿了 ENIAC 的致命问题：它靠物理插线方式编程，性能极低。而冯·诺依曼架构的核心创新——“存储器”，正是为解决这个痛点而生。

这种物理插线编程，其实是最原始的二进制实现：线路连通代表“1”，线路未连通代表“0”。在 ENIAC 时代，电子管是核心电子元件，体积大到肉眼可见。

图：电子管

第一代计算机的特点堪称粗犷：体积庞大、耗电量大、运算速度慢。

就说 ENIAC，占地 170 平方米（差不多是半个篮球场大小），重达 30 吨。为了给它供电，专门建了一座大型变电站。据说它一开机，附近地区的电灯都会变暗——这只“电老虎”，就是当时计算机的真实模样。

也难怪在那个年代，你走进一个房间问“计算机在哪”，得到的回答会是：“整个房间都是它。”

图：ENIAC

和冯·诺依曼架构齐名的哈佛架构，起源于Mark I计算机，迭代到第二代就是Mark II。而它的出名，还和一个有趣的故事有关。

1947 年 9 月 9 日，美国海军编程员格蕾斯·哈珀团队在哈佛大学测试Mark II时，发现一只飞蛾（英文：bug）被困在第 70 号继电器上，导致短路故障。这被记录为人类历史上第一个计算机 bug。

从此，计算机的故障、漏洞都被称为bug。不妨畅想一下：如果当时卡住的是一只瓢虫（英文：ladybug），说不定现在我们吐槽的漏洞就叫ladybug🐞 了。

图：世界上第一个计算机 bug

第二代（1954 年起）：晶体管登场，体积大减+性能飞跃

ENIAC 的“笨重”，注定只是过渡。1947 年 12 月 16 日，美国新泽西州贝尔实验室，威廉·肖克利、约翰·巴顿和沃特·布拉顿成功制造出第一个晶体管——这颗小小的元件，直接拉开了第二代计算机的序幕。

对比电子管，晶体管的体积堪称“迷你”：电子管长度多在几厘米到十几厘米，直径也有几厘米；而晶体管长度通常在 1 厘米以内，宽度和厚度仅几毫米。

图：晶体管

体积的成倍缩小，意味着相同空间能容纳更多元件；更多元件能实现更复杂的逻辑；更复杂的逻辑，直接带来性能的大幅提升。晶体管取代电子管，成为第二代计算机的核心元件。

1954 年，美国贝尔实验室研制出第一台晶体管计算机TRADIC（全称 Transistor Digital Computer，中文“晶体管数字计算机”）。

图：TRADIC

1959 年，IBM 推出第一台商用晶体管计算机IBM 7090，彻底推动计算机从科研走向实用。

图：IBM 7090

硬件的进步，也催生了软件的发展。在第二代计算机前后，FORTRAN（1957 年）、LISP（1958 年）、COBOL（1959 年）等高级编程语言相继诞生——要是没有硬件性能的提升，这些复杂语言根本无法运行。

和第一代电子管计算机比，IBM 7090 的优势肉眼可见：运算速度达每秒 50 万次浮点运算，可靠性显著增强，体积和功耗却大大降低。当年科研人员用它参与卫星发射计算，助力卫星成功入轨后，IBM 7090 直接在航空航天领域“一炮而红”。

这一阶段，计算机仍遵循冯·诺依曼架构，按“取指-译码-执行”的串行流程工作，也就是单指令流、单数据流（SISD）。但我们不难推断，未来必然会出现单指令流多数据流（SIMD）、多指令流多数据流（MIMD）的新模式。

同时，“中央处理器（CPU）”的早期概念也开始出现，不过此时的 CPU 还由多个分立电路板组成，尚未成为独立元器件。

第三代（1964 年起）：集成电路革命，IBM 360 的里程碑意义

晶体管的迭代还在继续，更大的突破已经在路上——集成电路来了。

1958 年 9 月 12 日，杰克·基尔比成功制造出世界上第一块锗基集成电路，包含 1 个晶体管、3 个电阻和 1 个电容，被称为单片电路。2000 年，基尔比凭借这个发明获得诺贝尔物理学奖。

几乎同时，罗伯特·诺伊斯在仙童半导体提出基于平面工艺的集成电路，用二氧化硅层实现元件间的绝缘和连接，并于 1960 年领导团队造出首个可量产的硅基集成电路。

后来，诺伊斯联合戈登·摩尔（摩尔定律提出者）在 1968 年创办了英特尔——这家公司后来的故事，就无人不晓了。

进入 20 世纪 60 年代，材料科学、光刻技术、器件结构的协同进步，让集成电路从“概念”走向“量产”，中小规模集成电路（SSI、MSI）相继出现。

小规模集成电路（SSI）：每个芯片含有的电子元器件少于 100 个，主要实现逻辑门、触发器等基础功能，比如常见的 74 系列逻辑门芯片。

图：74 芯片示意图

中规模集成电路（MSI）：元器件数目在 100 到 3000 个之间，能实现计数器、译码器等复杂逻辑功能。

在中小规模集成电路的基础上，第三代计算机正式诞生。1964 年，IBM 推出的 IBM 360 大型计算机系列，成为这一代的标志性产品。

IBM 360的研发堪称“史诗级项目”：投入了海量人力物力，集结众多顶尖科学家和工程师，规模大到很多参与者都不知道自己负责的部分在系统中的位置。

但它的创新足以改变行业：统一的指令集架构让软件可兼容同系列计算机；模块化设计能组合成适配不同场景的系统。凭借这些优势，IBM 360 推动了计算机产业爆发，促进了信息技术普及，还培养了大批计算机人才。

图：IBM 360

有趣的是，IBM 360 硬件大获成功，但操作系统开发却成了“灾难”。在上一篇文章中我们提到，它的 IBM OS/360操作系统是首个大规模复杂软件，包含 500 万行代码、3000 人开发，最终超预算 5 倍、延期 4 年才发布。

这场“灾难”也成为推动软件工程发展的典型案例。无论是硬件的成功还是软件的反思，IBM 360 都堪称计算机史上的里程碑。

与此同时，CPU 也在快速演进：1971 年，首款计算器微处理器 Intel 4004 诞生（4 位、2300 个晶体管、主频 740kHz）；1972 年，Intel 8008 成为计算机标准 CPU；1974 年，Intel 8080 被认为是第一个真正有用的 CPU，为个人计算机铺路；1978 年，Intel 8086 主导个人计算机市场，也预示着第四代计算机即将到来。

图：Intel 8086

第四代（1981 年起）：超大规模集成电路，个人计算机时代来临

光刻技术的突破，让同面积电路板能蚀刻更多电路；半导体制造工艺的完善，提升了晶体管的速度和可靠性。在这些技术支撑下，集成电路从中小规模升级为大规模（LSI）和超大规模（VLSI）——第四代计算机就此崛起，我们现在用的个人电脑，都属于这一代。

图：超大规模集成电路示意图

第四代计算机的典型代表，是 IBM PC 和苹果 Macintosh，它们共同开启了个人计算机的新时代。 1981 年，IBM 推出个人计算机（PC），采用 Intel 8088 微处理器（8086 的升级款）。关键的是，IBM 采用开放式架构，允许第三方厂商开发软硬件——这个早期的“开源式决定”，让 IBM PC 迅速占领市场，成为个人计算机的标准之一，还催生了庞大的软硬件生态。

图：IBM PC

1984 年，苹果推出 Macintosh 计算机，最大创新是图形用户界面（GUI）。在当时命令行界面主导的时代，图形界面更直观、更易操作，彻底改变了用户与计算机的交互方式，还推动了图形设计、桌面出版等领域的发展。

图：Macintosh

随着这两款产品的发布，计算机进入高速发展期，CPU 的迭代也按下“加速键”。1989 年，Intel 80486 芯片问世，它将 CPU、数学协处理器和 8KB 高速缓存集成在一颗芯片上，还首次在 80X86 系列中采用 RISC（精简指令集）技术，用突发总线提升内存交换速率——这就是“486 时代”，现代 CPU 基本都在此基础上迭代。 此后，指令集形成两大分支：CISC（复杂指令集）提升代码密度，成为 x86 架构的核心，主导个人计算市场；RISC（精简指令集）提升效率，被 ARM、MIPS 架构采用，主导移动设备市场。

架构的核心：冯·诺依曼的延续与摩尔定律的未来

从第一代到第四代，计算机的核心架构始终离不开冯·诺依曼架构。它将硬件划分为运算器、控制器、存储器、输入/输出装置四大核心，而 CPU 最终集成了其中的运算器和控制器——这一核心设计，贯穿了计算机发展的半个多世纪。

最后，我们回到戈登·摩尔。这位英特尔联合创始人在 1965 年《电子学》杂志上提出摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数量，约每 18-24 个月增加一倍，同时成本下降一半。

制程工艺的不断缩小，让摩尔定律延续了数十年。但 2000 年后，单核性能触顶，多核与并行计算成为趋势，厂商开始推动多核 CPU（如 Intel Core 系列）和 GPU 协同计算。2006 年制程突破 26nm，Intel 推出 Core 2 Duo；2020 年制程达到 5nm，ARM 架构的 Apple M1问世，让摩尔定律继续“续命”。

但物理极限终究无法突破：一是量子隧穿效应，晶体管尺寸低于 3nm 时，电子可能“穿越”绝缘层导致漏电；二是热密度问题，芯片功耗密度接近核反应堆，散热成为瓶颈。摩尔定律或许终将迎来终点，但技术创新永远不会止步。

四代计算机的演化、CPU 的诞生与突破，离不开科学界和工业界的共同努力。软件工程的发展，也始终与硬件进步同频共振。

下一篇，我们将聚焦软件浪潮中的英雄人物，看看他们如何用代码构建数字世界的基石。敬请期待！