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数字技术简史：三位奠基人、三个阶段、五大定律、十项发明

晰数塔互联网快讯
2021-11-25 18:53

三位奠基人

计算机作为一门科学，主要源于数学，最早源于“二战”。艾伦·图灵、冯·诺依曼和克劳德·香农无疑是计算机科学与技术的三位奠基人。他们都是数学家，都曾参与“二战”密码破译或盟军重大科研项目。

艾伦·图灵（1912年—1954年），英国数学家、逻辑学家，被称为“ 计算机科学之父”“人工智能之父”。他提出了著名的“图灵机”“图灵测试”，其论文《计算机器与智能》（1950年）是人工智能的开山之作。图灵在“二战”中曾协助军方破解德国密码系统 Enigma 。不幸的是，年轻的图灵死于家中的床上，床头放着被咬了一口泡过氰化物的苹果。为纪念图灵对计算机科学的巨大贡献，美国计算机协会于1966年设立图灵奖，该奖项是“计算机界的诺贝尔奖 ”。

冯·诺依曼（1903年—1957年），出生于匈牙利的美籍犹太人，是20世纪最著名的数学家之一，理论计算机科学和博弈论的奠基者，常被誉为“电子计算机之父”。他提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），该理论被称为冯·诺依曼体系结构。

克劳德·香农（1916年—2001年），美国数学家和密码学家，是“信息论之父”。1948年发表划时代的论文《通信的数学理论》，宣告“信息论”作为一门学科的诞生。香农还被认为是数字计算机理论和数字电路设计理论的创始人。其硕士毕业论文《中继及开关电路的符号分析》，论证了数字计算机及数字线路逻辑设计的可能性，被誉为“有史以来最重要的一篇硕士论文”。

三个发展阶段

从1946年第一台电子计算机发明算起，数字技术经历了计算机、互联网和新一代信息技术三个阶段。

1 /计算机阶段（1946年-1970年代）

“二战”中，同盟国为满足快速计算需要，在艾伦·图灵和冯·诺依曼的指导下研发电子计算机。1943年，英国发明了第一台可编程的电子计算机——巨人计算机（Colossus Computer），以破译德军密码；同年，美国为完成火炮弹道运算，开始研制可编程的通用计算机ENIAC。1946年2月14日，该机器在宾夕法尼亚大学宣布诞生，标志着数字时代的来临。

从1946年电子计算机的发明到上世纪70年代，是数字技术发展的第一阶段，主要由计算机驱动，贝尔实验室、施乐帕克研究中心、IBM、仙童半导体公司、德州仪器、英特尔、通用电气是当时无可争议的风云公司。计算机阶段大体有四个子阶段。

第一代电子计算机以真空电子管为主要电路元件，又称为“真空管计算机”。其体积庞大，耗电量大，易发热，因而工作时间不能太长。

1947年，贝尔实验室发明了晶体管，它被誉为“20世纪最伟大的发明”。1953年11月，英国曼彻斯特大学的实验型“晶体管电脑”启用，它通常被认为是世界上第一台投入运作的晶体管计算机。从50年代中后期开始，晶体管取代真空管成为计算机的核心器件，这就是第二代计算机——晶体管计算机。

1958年，仙童公司和德州仪器公司分别发明了集成电路（IC）。1964年，IBM360系统研制成功，它以中小规模集成电路构成计算机的主要功能部件，标志着第三代计算机登上历史舞台。有学者进一步把70年代采用大规模和超大规模集成电路的计算机看作第四代计算机。

微处理器是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。1971年11月15日，第一台微处理器——Intel 4004问世，开创了微型计算机的新时代。人们对谁是第一台现代个人电脑（PC）尚存争议，较多人认为是1973年的施乐奥托（Alto），或1975年的 Altair 8800。1976年的Apple I、1981年的IBM5150也是较早的产品，它们为两家公司在PC市场上的成功奠定了基础。

2 /互联网阶段（1969年-2015年）

计算机是“二战”的产物，互联网则是冷战的产物。1969年10月29日，美国国防部高级研究计划局（ARPA）组建的阿帕网（ARPANET）第一期工程投入使用，它连接了加州大学洛杉矶分校（UCLA）、斯坦福研究院、加州大学圣巴巴拉分校和犹他大学四个节点。阿帕网的诞生，标志着数字技术进入以互联网为主的发展阶段。

阿帕网早期采用的是网络控制协议（NCP）。该协议只能用于同构环境，难以满足越来越多计算机网络接入需求。因此，高级研究计划局信息处理技术办公室（IPTO）的罗伯特·卡恩（Robert Kahn）和斯坦福大学的温特·瑟夫（Vint Cerf）开始研究下一代通信协议。

1973年，两人开发了传输控制协议（TCP）；1974年，两人联合发表题为《关于分组交换的网络通信协议》的论文，正式提出TCP/IP协议。1983年1月1日，高级研究计划局决定淘汰NCP协议，TCP/IP取而代之。从此，阿帕网迅速成长为一个全球互连的网络。1983年1月1日也被很多人认为是互联网的官方生日，罗伯特·卡恩和温特·瑟夫也被誉为“互联网之父”。值得一提的是，温特·瑟夫是术语“Internet”的提出者，他在1974年论文“Specification of Internet Transmission Control Program”中首次书面使用了“Internet”。

1989年3月，欧洲核子研究中心（CERN）的英国工程师蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）提交了《信息管理：建议书》（Information Management: A Proposal）。这是一份关于万维网（WWW）的项目开发计划，标志着互联网进入万维网时代。1991年，全球第一个网站诞生，网址为http://info.cern.ch。蒂姆因此被称为“互联网之父”。

1993年4月30日，CERN宣布万维网对所有人免费开放，万维网迅速普及。同年，美国提出信息高速公路战略。次年4月20日，我国全功能接入国际互联网。互联网浪潮席卷全球，数字化生存渐行渐近。

3 /新一代信息技术阶段（2016年至今）

李国杰院士指出（人民日报，2016）：“上世纪90年代发明万维网以后，信息领域虽然不断冒出新的热词，但一直没有出现称得上基本创新的重大发明。”与前两个阶段是由重大发明创造引领不同，新一代信息技术阶段是以集成应用为主，是数字技术加速与经济社会全方位深度融合的阶段。“新一代信息技术”是在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（国发〔2010〕32号）中首先提出，但我们很难准确划分这一阶段的开始时间。

从整个数字技术发展史来看，把2016年作为迈入新一代信息技术阶段的时间较具标志意义——2016年是计算机发明70周年、人工智能提出60周年、光纤通信提出50周年、微处理器发明45周年、量子计算机提出35周年、电子商务提出20周年、云计算提出10周年。2016年，我国印发《国家信息化发展战略纲要》；成功举办G20杭州峰会，大会发布了全球第一个由多国领导人共同签署的数字经济文件——《二十国集团数字经济发展与合作倡议》。一个计算无处不在、软件定义一切、网络包容万物、连接随手可及、宽带永无止境、智慧点亮未来（邬贺铨，2017）的时代已经来临，数字革命进入了融合深化的新时代，人类站到换代发展的新起点。

五大基本定律

数字技术的典型特征是指数增长。在计算（Compute）、带宽（Bandwidth）、网络（Network）、数据（Data）和能耗（Energy）等方面分别有摩尔定律、吉尔德定律、梅特卡夫定律、“大数据定律”和库梅定律。这是数字技术的五个基本定律，我们可将之合称为“CBNDE定律”。如下表所示。

表

摩尔定律是数字时代的核心准则，是计算机第一定律。1965年4月19日，仙童半导体公司工程师戈登·摩尔在《电子学》杂志上发表名为《让集成电路填满更多元件》的文章。文中预言“在最小成本的前提下，集成电路所含有的元件数量大约每年便能增加一倍”（The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year)。其后，“每年翻一番”的论断先后被修正为“每两年翻一番”“每18个月翻一番”，从而有了今天常见的表述——“集成电路上晶体管数量每18个月翻一番。”

摩尔定律提出50多年来，时不时有人做出“摩尔定律已死”的论断，但其后发生的事实一再证明它依然有效。摩尔本人也犯了过于保守的错误——最初预测它可以持续10年时间。至今，摩尔定律仍然充满活力，它被历史学家称为“现代世界的节拍器”。

乔治·吉尔德被誉为“数字时代三大思想家之一”，曾师从美国前国务卿基辛格。他认为，带宽的增长速度至少是计算机的三倍。即“主干网的带宽每6个月增长一倍”，这被称为吉尔德定律(Gilder's Law)。

梅特卡夫定律(Metcalfe's law)也是由乔治·吉尔德提出，但以以太网之父罗伯特·梅特卡夫命名。其内容是：一个网络的价值等于该网络内节点数的平方。

“全球数据量每两年翻一番”，这是业界公认和流行的说法，例如：IDC（2011）、enFact（2016）、Brian Gallagher（2020）。该指数增长规律尚未命名，我们姑且称之为“大数据定律”。

数据大爆炸，给人们的直观感受是计算机耗电量必随之大幅增加。而研究表明，数据中心耗电量并不会和数据规模同步增长，效率的提高使能耗占比几乎保持不变。斯坦福大学乔纳森·库梅教授提出了著名的库梅定律（Koomey's Law）：计算机的能源效率大约每18个月翻一番，即计算设备的耗电量每18个月就会下降一半。

与牛顿运动定律、E=MC2、宇称不守恒等客观存在、不以人的意志为转移的物理学定律不同，CBNDE实际上是经验法则或者预言，描述的是计算机科学家和工程师的工作，是人们付出努力所带来的持续进步。

十项重大发明

通过对数字技术的相关论述，我们认为最重要的10项技术发明是电子计算机、晶体管、集成电路、微处理器、Unix操作系统和C语言、光纤通信、阿帕网、TCP/IP协议、万维网和人工智能。如下表所示。需要说明的是，严格来说人工智能不是一项发明，而是一种方法或者技术领域。自提出60多年来，众多科学家不断推动人工智能技术进步，例如：马文·明斯基、约翰·麦卡锡、艾伦·纽厄尔、赫伯特·西蒙、犹大·伯尔、约舒亚·本希奥等。