1.2.1
算力的发展史

在原始社会中，人类开始使用结绳、垒石、枝条或刻字等方式进行辅助计算。后来，发明了算筹。据《汉书·律历志》记载，算筹是圆形竹棍，长23.86厘米，横切面直径是0.23厘米。到隋朝时，算筹缩短，圆棍改成了方的或扁的。算筹除竹筹外，还有木筹、铁筹、玉筹和牙筹等。计算的时候，将算筹摆成纵式和横式两种数字，按照纵横相间的原则表示任何自然数，从而进行计算；当负数出现后，算筹分为两种，红筹表现正数，黑筹表示负数。

算筹逐渐演化，后来产生了算盘，通常用来计算金钱。不过，算盘什么时候发明的，有各种说法，东汉数学家徐岳《数术记遗》里提到：“珠算，控带四时，经纬三才。”该书里记载了14种算法，其中第13种就是珠算。也有观点认为，算盘出现在唐代，比如《清明上河图》里的算盘图就是一大证据，这幅画出现在宋代，里面的一家店铺柜台上摆放了算盘，说明当时算盘已经是常用工具，那么它的出现可能推算到唐代。还有学者认为算盘产生于明代，比如永乐年间出版的《鲁班木经》中，对算盘的规格、尺寸等做出了详细描述。

再到后来，一些新的工具陆续诞生，计算的速度与精度不断提高，比如1620年，欧洲的学者发明了对数计算尺。后来，机械计算机的出现将算力向前推进了一大步。差分机、基于计算自动化的程序控制分析机等，都是计算领域有代表性的发明。

直到20世纪中叶，冯·诺依曼提出计算机的基本原理，包括存储程序和程序控制，用二进制替代十进制，将计算机分为控制器（CPU）、运算器、存储器、输入设备与输出设备，如图1-1所示。

第一台计算机埃尼阿克（ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学问世，这台最早的计算机重30吨，使用1.7万多个真空电子管，功率达174千瓦，占地约170平方米，使用十进制运算，每秒能运算5000次加法，只能通过人工来扳动庞大面板上的各种开关，进行数据信息输入。

随后，冯·诺依曼在ENIAC项目的基础上研制了EDVAC，重新设计了整个架构，奠定了当今计算机的结构。

技术进步的大门打开后，便一路向前。早期计算机使用电子管，体积比较庞大，往往需要一个房间储存，购买、运营与维护都很昂贵。量产的计算机UNIVAC，占地面积仅为ENIAC的1/3，共制造了46套，开售价格为15.9万美元，后来涨价到125万～150万美元。它也是第一台既能够处理数字计算，又能够进行文字处理的通用计算机，使用汇编语言编程，以及电打字机、磁带和示波器作为输入、输出设备，每秒可以进行1905次运算，并能存储12000位的数据（即12000个二进制字符）。

到了20世纪40年代，贝尔电话实验室研制出了晶体管，它的体积小，产生的热量也小，寿命又比电子管长，使得计算机的体积大幅度减小。晶体管问世之后，迅猛发展并取代电子管的位置。20世纪50年代，人们开始发展第二代晶体管计算机，不再一个一个地焊接和封装晶体管，而是把许多晶体管按照设计要求连接在一块电路板上，形成了早期的集成电路模式。

随着技术的进步，每块集成电路上可容纳的晶体管不断增加，进入中规模集成电路时期，用一两块集成电路板就可以制成中央处理机，性能比以前的计算机还要强，最后组装成的计算机尺寸大为减小。20世纪60年代，美国推出了第一台被视为小型机的PDP-8型计算机，随后又研制出标准化小型计算机。

进入20世纪70年代后，第三代计算机出现，大规模集成电路、超大规模集成电路陆续得以实现，每个集成电路板上包含几千个到几万个晶体管，后来又增长到几十万个，计算机的微型化速度高歌猛进。一个标志性事件是，1971年英特尔研制出了微处理器Intel 4004，CPU登上历史舞台。这枚芯片的尺寸为3mm×4mm，上面一共集成了约2300个晶体管。

戈登·摩尔（Gordon Moore）认为，集成电路上可容纳的元器件数量，每18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。

英特尔成为个人计算机中微处理机里的代表公司，更新换代的速度非常快，20世纪70年代是8080和8088微处理器，20世纪80年代是80286、80386和80486微处理器，20世纪90年代则推出了80586奔腾处理器，速度每年翻一番，每秒约执行100万条指令。

从第一代微型机开始，到1983年英特尔更新了四代机型，字长从4位、8位、16位发展到32位，每个集成电路上晶体管的集成度从2200个、4800个、2.9万个发展到10万个；运算速度从每秒几万次、几十万次，提升到几百万次；体积从袖珍式、便携式发展到掌上机。20世纪80年代后期，一台386微处理机电路的集成度为250万个晶体管。

1986年，康柏推出第一台基于386处理器的台式个人计算机，引起不小的轰动。1987年，IBM推出PS/2系统，引进微通道技术，该机型累计出货量达到200万台。1989年，英特尔公司发布集成约120万个晶体管的486处理器，4年后又发布奔腾处理器，初期产品集成300多万个晶体管，内存主频为60MHz～66MHz，每秒可执行1亿条指令。1995年，英特尔推出Pentium Pro处理器，内部集成约550万个晶体管，每秒可执行4.4亿条指令。《时代周刊》1997年的封面人物就是英特尔公司的总裁安德鲁·格罗夫，标志着计算机正在将人类带进信息时代。

在最近的20多年里，计算机继续迭代，比如1996年英特尔推出带有MMX技术（多媒体扩展）的Pentium处理器，直接推动了计算机多媒体应用的发展；1997年IBM研制的超级计算机“深蓝”，第一次战胜了当时世界排名第一的国际象棋大师加里·卡斯帕洛夫；2000年以后，AMD公司推出主频达1GHz的Athlon处理器，掀开GHz处理器大战；英特尔发布的Pentium4处理器，总线频率达400MHz，另外增加144条全新指令，用于提高视频、音频等多媒体及3D图形处理能力。

2019年，华为发布计算战略，推出AI训练集群Atlas 900，由数千颗昇腾910处理器组成，它的计算能力相当于50万台PC的总和。在衡量AI计算能力的ResNet-50模型训练中，Atlas 900只用了59.8秒就完成了训练，这比原来的世界纪录还快了10秒。另外，华为推出达芬奇结构，这是一种能够覆盖“端、边、云”全场景的处理器架构，成为打造计算产业的基础。同时，华为还发布多个系列的处理器，包括支持通用计算的鲲鹏系列、支持AI的昇腾系列、支持智能终端的麒麟系列，以及支持智慧屏的鸿鹄系列。

整体来看，华为投入计算产业重点是四方面布局，包括对架构创新的突破、对全场景处理器族的投资、坚持有所为有所不为的商业策略，以及不遗余力地构建开放生态。

芯片领域的进步也未停步。目前，半导体主流制程节点已经到了5nm，并向3nm甚至更小的节点演进，每进步1nm，都需要付出极大的努力。2021年5月，IBM宣布成功研制出2nm芯片，仅指甲盖大小，能容纳500亿个晶体管。相比广泛使用的7nm芯片，2nm芯片的性能可提高45%，能耗降低75%。

不过，单纯靠工艺来提升芯片性能，其难度非常大，后摩尔时代已经到来，新的技术路线浮出水面。一是“More Moore”（深度摩尔），以缩小集成电路的尺寸为核心，兼顾性能与功耗；二是“More than Moore”（超越摩尔），芯片性能的提升不再靠堆叠晶体管，更多地靠电路设计以及系统算法优化，同时，借助先进封装技术，实现异质集成，或者通过算法的升级、芯片架构的更新，实现更加智能的计算，提升芯片性能。