本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

蒸汽机的发展

蒸汽机在英国被发明

活塞和气缸的发明 丹尼斯·帕潘(1679)

蒸汽泵的发明 托马斯·塞维利(1698)

蒸汽机的改良 纽科门(1712)

纽科门蒸汽机的出现标志着第一个商用机器的诞生，广泛用于煤矿自动抽水

www.bilibili.com/video/BV1zE… 纽科⻔蒸汽机

发明蒸汽机的不是他，为什么被记住的是瓦特?

詹姆斯·瓦特主要的贡献是多次改良蒸汽机:

1. 他根据导师的潜热理论，发现纽科门蒸汽机的热效率不高，每 次气缸冷凝后都需要重新被加热，于是他发明了独立冷凝器。

2. 然后，他发现双向气缸可以把双向的力都利用上，发明了双向 气缸。

3. 由于蒸汽机的效率提高，工业界的广泛使用变得可能，因此需 要把杠杆的上下移动转化成驱动轮子。为了绕过当时其他专利， 瓦特的雇员威廉·默多克发明 “太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统

4. 为了控制蒸汽机驱动的速度，他应用上了离心调速器，使得蒸 汽机的自动化程度又提升了一挡。

至此，蒸汽机的效率提升了3-5倍，使得蒸汽机在工业界的大范 围使用成为可能，促成了第一次工业革命。

蒸汽机的后续发展

瓦特蒸汽机的广泛应用促成了学术研究， 通过研究蒸汽机的热效率，出现了热力学之父尼古 拉·卡诺(1824)

高压蒸气机的发明 理查·特里维西克(1804) 发明了蒸汽机车:

铁路之父 乔治·史蒂芬生(1814) 发明火车

电的发展

电学发展早期:磁生电的理论促成了发电机的发明

1. 美国1753年， 本杰明·富兰克林做了一个古今闻名的风筝实验;他与 儿子在雷雨中放风筝，将空中的闪电吸引过来，在风筝线另一端捆绑的 一只金属钥匙与富兰克林的手之间，产生一系列的电花，他同时感受到 麻电的滋味，这证实了闪电是电的一种现象。富兰克林又做实验发现了 电荷守恒定律

2. 英国1785年，查尔斯·库仑发现库仑定律。

3. 电与磁的关系被发现: 丹麦的 汉斯·奥斯特

发现电可以产生磁 (1820年) 法国的 安德烈-马里·安培 在此基础上发展出了安培定律 英国的法拉第发现电磁感应，磁生成电的理论，为后续发动机的产生奠 定了基础。

4. 美国 汤玛斯·爱迪生设计出优良的白炽灯和直流电力系统、尼古拉·特 斯拉发展完成感应电动机

用于产生能量 —> 用于传递信息

1864年，麦克斯韦发现电与磁的相互作用，理论上预测 了电磁波的存在，爱因斯坦本人盛赞了麦克斯韦，称其 对物理学做出了“自牛顿时代以来最深刻、最有成效的变革” 如今的如今的无线通信、蓝牙都借助了这些技术去实现了。

1887年，赫兹通过发明火花振荡器做实验，证明了电磁 波的存在。 后续开启了电磁波通信的时代，

用电进行通信的发展

1895年，意大利人马可尼首次成功收发无线电电报。4年 后，即1899年，他成功进行英国至法国之间的传送。1902年 首次以无线电进行横越大西洋的通讯。 为什么是马可尼发明的，而不是证实电磁波的赫兹呢?原因是当时赫兹比较相信麦克斯韦理论，觉得电磁波与光的性质是一样的，因此觉得电磁波会被各种障碍物挡住。 早期的电报都是通过电火花振荡器发送的，这种电磁波每个脉冲都是一样的，是逐步衰减的信号。后来人们发现可以通过调幅(AM)和调频(FM)的方式将声波的 信息载入电磁波，由此发明了广播。

二极管为什么会被发明出来呢?

如果二极管没有发明，计算机可能永远都是由成千上万个机械齿轮组成的庞大机器。那么二极管为什么会被发明出来呢?

真空管的历史可溯自改良灯泡的商人托马斯·爱迪生。1880年某日， 他好奇地在灯泡中多放了一个电极，且洒了点箔片，结果发现奇 特的现象:第三极通正电时，箔片毫无反应;但通负电时，箔片随 即翻腾漂浮。当时爱迪生不知道此现象的起由，但由于他不经意的 发现，这个现象后来被称为爱迪生效应。一直到1901年，欧文·理查 德森提出定律，说明电子的激发态引起箔片漂浮，后更以此拿到 1928年的诺贝尔物理奖。接着约翰·弗莱明在1904年发展出二极管。

二极管在电力时代的作用，就像蒸汽机时代单向阀的作用一样，是一个自动化系统中非常重要的组成部分，当然更重要的是，它促成了三极管的发明。

三极管为什么会被发明出来呢?

由于约翰·弗莱明为二极管申请了专利，为了绕过这个专利，李·德佛 瑞斯特就在二极管的基础上去研究，不知从哪里来的灵感，他在二极 管的阴极和阳极之间额外加了一根形如木栅栏的铜丝作为电极(称为 栅极)。栅栏状的铜丝有空隙，理论上它不会挡住逃逸的电子奔向铜 片，阴极和阳极之间应当仍然有电流。 但是当他给这个中间的铜丝 施加一个负电压时，奇妙的事情发生了，阴极和阳极之间的电流随之 减少了。反之，如果在中间电极上施加一个正电压，电流就增加了。 更神奇的地方——也是它最关键的一个特性是:只要轻微改变中间极 上的电压，阴极和阳极之间的电流就会很大幅度地变化。

三极管放大的特性后来被美国电话电报公司看上，花了5万美元买下 了专利，用三极管做中继器放大传输后衰减的信号，从而显著改善了 长途电话的质量。

计算机架构与存储的发展

自动纺织机& 可编辑纺织机

1. Edmund Cartwright 发明了第一台自动纺织机并申请专利 (1784 )

2. Joseph Marie Jacquard 发明了 Jacquard Machine 第一台可编辑纺 织机 根据打卡孔的有无来控制经线与纬线的上下关系，以达到编 织纺织品不同花样的目的，1860年以后改用蒸汽动力代替脚踏传 动遂成为自动提花机。其灵感来源于中国东汉发明的大花楼织 机，它是中国古代织造技术的最高成就，它比普通织机多一个束 综提花装置，因其形状似高楼，因此被称为大花楼织机。这种织 机出现于东汉时期，盛行于唐代。提花机要两人操作，一人为挽 花工，坐在三尺高的花楼上挽花提综，按花本顺序提拉不同位置 的经纱，另一人坐在机头处，穿梭打纬。这种提花机最核心的技 术就是花本，它控制了织物的图案。

Jacquard最突出的成就就在于用自动化替换了中国织纺机中 最核心的挽花工。

早期的模拟计算机设计

CHARLES BABBAGE(1791-1871)

英国的 查尔斯·巴贝奇 设计的分析机，通过使用算珠(借 鉴中国的算盘)保存状态，可以运行包含“条件”、“循环” 语句的程序，有寄存器用来存储数据，但是当时没有造 出来。

后来，这个分析机被证实是图灵完备的，如果没有新的

基础科学(电学，真空管和晶体管)突破，计算机可能

会以这种古典机械的形式发展下去。

与非⻔ & 累加器

与非门很重要，因为任何布尔函数都可以通过使用与非门的组合来实现。

三极管成就了计算机

寄存器的原理

锁存器 -> D触发器

英国的 William Eccles 和 FW Jordan 在1918年一起发明了触发器并申请了专利。

有了加法器和寄存器，两者如何配合计算?比如计算1+2+3+4+…100 = ? 振荡器产生的周 期性脉冲便可以上场了。

假设2号寄存器取出的初始输入A=1，1号寄存器初始化为0，第一次加法1 + 0 = 1。此时上图的 电路便处于一个稳定状态:

此时脉冲第一个上升沿到来，触发寄存器刷新数据，寄存器1把上次计算的结果Y设置到y = 1，寄 存器2则通过某种机制从存储中取得下一个数2，使得A=2，此时上图的电路又处于一个稳定状态:

振荡器的历史

前面寄存器触发需要脉冲，这个脉冲从哪来，这便要说到振荡器。

真空管反馈振荡器(Armstrong振荡器)是在 1912 年左右发明的，当时人们发 现最近发明的三极管 真空管中的反馈(“再生”)可以产生振荡。1912 年夏 天，埃德温·阿姆斯特朗( Edwin Armstrong )观察到三极管无线电接收器电路 中的振荡并继续在他的再生接收器(regenerative receiver)发明中使用正反馈。并且为他的再生电路申请了专利。 后来三极管的发明者李·德佛瑞斯特(Lee De Forest)也观察到了他的放大器中的振荡，但他并没搞懂其中的原理，但他还是对阿姆斯特朗的专利发起了申诉，这桩无线电史上最复杂的专利诉讼最终在1934 年以德佛瑞斯特取胜告 终，但后来回顾，其实阿姆斯特朗的论据更充分。

但是现在用的多的是晶体振荡器，其理论依据是压电效应和逆压效应，是由雅 克·居里与皮埃尔·居里于1880年发现。第一个由晶体控制的电子式振荡器，则 是在1917年使用罗谢尔盐所作成，并于1918年由贝尔电话实验室的Alexander M. Nicholson取得专利。Cady于1921年制作了第一个石英晶体振荡器。

最早的计算机

前面提到，早期的计算机雏形是使用卡片来存储输入指令的。最早的就是 Jacquard 织布机，1890年的美国人又普查也用了打卡孔 的技术。后来，发明人赫尔曼·何乐礼在普查机器基础上继续改进，原来的机器是机械式的，而且只支持加法，他将机械方式带动 齿轮的方式改成接触导电而启动继电器，便能用电流完成四则运算，发明出了整合制表机。后来他成立了一家公司，就是IBM。

第一台真正意义上的计算机埃尼亚克(ENIAC )也延用了这个设计，它的输入来自 于IBM读卡器，并且用IBM打卡器用于输出, 而且 存储也使用卡片。但这个时候业内人士和设计者们也开始意识到卡片系统的局限性，几乎每天都有几根管子烧毁，使 ENIAC 有一 半的时间无法正常工作。后来1947对它进行了改进，终于放弃了使用卡片存储程序，用了只读存储器(ROM)。并采用了而冯诺 依曼提出了单地址架构，因为它更易于实现。ENIAC的累加器使用了触发器。

另外，还有一台计算机也值得关注，Atanasoff-Berry Computer( ABC ),虽然它即不是可编程的，也不是图灵完备的，但ENIAC的设 计其实盗窃了ABC的设计，1973年美国法院裁定取消了ENIAC的专利。ABC开创性地实现了三个关键的思想:

1、使用二进制数字来表示所有数字和数据。

2、 使用电子设备而不是轮子、棘轮或机械开关执行所有计算。

3、计算和存储分离

ABC的存储器是一个称为再生电容器存储器(Regenerative Capacitor Memory)的系统, 它的两个鼓中的每一个都存储了 30 个 50 位二进制数(每个 1500 位)，以 60 rpm 的速度旋转，并且每旋转一次(1 Hz 刷新率)就重新生成。ABC使用60Hz的交 流频率作为时钟频率。

至此，现代计算机的基本架构和存储结构基本上就成型了。 指令存储 & 状态存储从机械形式演进到电子形式

晶体管的出现与发展

第一个双极结型晶体管是由贝尔实验室的威廉·肖克利发明的，他于 1948 年 6 月 26 日申请 了专利(2,569,347)。1950 年 4 月 12 日，贝尔实验室的化学家戈登·蒂尔和摩根·斯帕克斯 成功地生产了一种工作双极 NPN 结放大锗晶体管。

1954 年 1 月 26 日，Morris Tanenbaum在贝尔实验室开发了第一个工作硅晶体管。

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 或MOS 晶体管由 Mohamed Atalla 和 Dawon Kahng 于 1959 年发明。MOSFET 是第一个真正紧凑的晶体管，可以小型化和大规模为广泛 的用途而生产。

MOSFET 是有史以来生产数量最多的人造物体，到 2018 年将生产超过 13 个六万亿次。 MOSFET 被认为是最重要的晶体管，可能是电子学中最重要的发明，促进现代电子学的诞 生。

晶体管是几乎所有现代电子产品中的关键元件。因此，许多人认为晶体管是 20 世纪最伟大的发明之一。

内存的发展: 磁芯存储 -> 晶体管 SRAM & DRAM

由于像前文中ABC中鼓内存可以以相对较低的成本进行扩展，但内存项目的有效检索需要了解鼓的物

理布局以优化速度。而真空管或晶体管制成的锁存器可以合成寄存器。但寄存器体积较大且成本高，

无法用于存储大量数据，通常只能有几十或几百位这样的寄存器。促成了RAM的发展，磁芯存储器发明于 1947 年，一直发展到 1970 年代中期。它依赖于磁环阵 列，成为一种广泛使用的随机存取存储器。直到这里终于出现一个中国人的名字，研究的大量工作是由上海出生的王安进行的，虽然是归化美国的。

直到MOSFET发明之后，其大规模的生产使得MOS 存储器在 1970 年代初期取代磁芯存储器成为占主 导地位的存储器技术。

一个SRAM单元通常由4-6只晶体管组成，当这个SRAM单元被赋予0或者1的状态之后，它会保持这 个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。SRAM的速度相对比较快，且比较省 电，但是存储1bit的信息需要4-6只晶体管制造成本可想而知，但DRAM只要1只晶体管就可以实现。 一般SRAM常用作高速缓存存储器。

DRAM的数据实际上是存在于电容里面的， 电容会有电的泄露， 损失状态， 故需要对电容状态进行 保持和刷新处理， 以维持持久状态， 而这是需要时间的， 所以就慢了。 这个刷新加动态刷新， 而 DRAM中的D就是dynamic的意思。一般用作内存。