The Incredible Evolution of Computers

0:02 80年中的演变历程。我们将从庞大的大型计算机开始，过渡到早期的个人电脑和游戏系统，经历千禧年之交，进入智能手机、可穿戴设备和显卡的时代，最终展望人工智能的出现和计算的未来。简而言之，本视频将探讨在短短几十年间，我们如何从体积庞大、重量堪比大象、价值数百万美元、曾用于为 NASA和阿波罗计划计算火箭轨迹的大型计算机，发展到如今体积、成本和重量都大幅降低、计算能力却提升了约

0:48 1600万倍、用途广泛的智能手机（当然，其中并不包括计算火箭轨迹）。为了制作本视频，我们构建了

1:00 60多种不同计算机、游戏系统、智能手机和集成电路的精确 3D模型。事实上，我们购买并拆解了许多这样的计算机和设备，然后将主板上的所有芯片焊下来，拍摄了数百张照片，并构建了

1:18 内部组件的精确3D模型。但需要说明的是，我们并非仅仅列出不同的 计算机和设备，并向您展示它们的3D模型及其规格，而是会着重探讨推动设备小型化和速度提升的科学和工程技术发展历程，从根本上解答计算机发展至今的原因和方式。我们

1:45 将涵盖计算机、技术、科学和工程领域80年的发展历程，让我们直接进入正题。 本视频由Brilliant赞助。您或许听说过摩尔定律，

2:06 该定律于1965年提出，预测芯片上的晶体管数量每两年翻一番。因此，您可能会认为计算机的发展历程就是晶体管尺寸不断缩小的过程，从微芯片上几千个晶体管开始，一直发展到微芯片上数百亿个晶体管。虽然摩尔定律相当准确且影响深远，但仅仅关注它既过于简单化，也 容易产生误导。例如，超级任天堂娱乐系统（Super

2:38 Nintendo Entertainment System）和任天堂Switch

2:44 相隔26年发布，在这段时间里，这两款游戏机内部的晶体管数量 增加了8万倍。然而，就处理能力而言，任天堂

2:58 Switch的计算能力比超级任天堂高出近140万倍，而处理能力呈指数级增长的根本原因远比晶体管数量的增加复杂得多。因此，在本视频中，我们不会着重讨论摩尔定律或晶体管数量，而是会探讨具体的底层技术发展如何直接促成计算机处理能力的提升。 具体来说，我们可以将计算机发展历程划分为8个不同的时期或阶段，每个阶段

3:37 都有其独特的技术进步。例如，在20世纪50年代的第一个时代，计算机从使用真空管过渡到使用晶体管；而在第二个时代，科学家和工程师则专注于如何将多个晶体管封装在一起。本质上，每个时代的进步都与下一个时代截然不同。此外，探索这八个时代还能让我们深入了解一些公司为何在一个时代是技术领导者，却未能预测或适应下一个时代。例如， IBM在20世纪50年代、60年代和70年代是领先的计算机公司，在其鼎盛时期占据了约70%

4:24 的计算机市场份额。然而，在随后的80年代和90年代， 计算机的关键技术发生了变化，导致IBM失去了主导地位，如今其市场份额不足

4:37 1%。再比如，英特尔在2010年代的衰落，它在第三和第四时代是领导者，但在第五 和第六时代未能适应变化，最终走向衰落。如今，英伟达的迅猛发展也体现了类似的趋势，这得益于其对GPU架构的专注以及在人工智能算法中的应用。鉴于历史是预测未来的最佳指南，在本视频的结尾，我们将探讨计算的未来发展方向。由于本视频将重点介绍计算能力，简单地列出每台计算机的处理能力可能会让您迷失在浩瀚的数字海洋中，尤其是在如今人工智能数据中心规模庞大的情况下。因此，我们不会仅仅罗列一串零，而是会使用乐高积木，将

5:31 每秒一次的操作、指令或计算与一块2x4的乐高积木对应起来。 例如，当我们用乐高积木来展示1945年ENIAC的计算能力时，

5:45 它每秒5000次的加法运算能力可以搭建出一个由5000块 乐高积木组成的中等大小的立方体。而1991年的SNES，每秒近180万条指令的处理能力，则

6:01 能搭建出一个几乎占据整个房间的乐高立方体。然后，时间快进到2007年， 第一代iPhone每秒8亿次运算，相当于用乐高积木搭建了一个

6:14 两层楼高的立方体；而如今的显卡，凭借其万亿次浮点运算（teraflops）的运算能力，也能搭建出一个体积庞大的乐高立方体，但这还远远不够。所以，让我们回到时间线的起点，深入探索计算机的第一个时代—— 晶体管时代（1945年至1962年）。以下是

6:40 我们将要使用并详细探讨的五台计算机示例。首先是1945年制造的ENIAC。值得注意的是，在此之前也制造过一些房间大小的计算机，例如用于破解恩尼格玛密码的机电计算机，但

6:59 由于它们是专用计算机，所以我们不会深入探讨它们。ENIAC的卓越之处在于它是第一台可编程的通用计算机。 ENIAC计算机的制造时间比晶体管发明早两年

7:11 ，因此它使用了17000个真空管， 体积庞大且极其沉重。下一个例子是UNIVAC-1计算机，它

7:24 比ENIAC晚六年制造，仍然使用真空管。那么问题来了，晶体管发明四年后，为什么这台计算机仍然使用数千个真空管呢？原因在于早期晶体管的设计非常不可靠，对电压尖峰非常敏感，而且容易随机损坏。而真空管的发明时间 早了近50年，可靠性要高得多。如果真空管损坏，内部会变得模糊，或者玻璃管会出现明显的裂纹，很容易识别。相比之下，损坏的

8:03 晶体管很难找到，对于一台拥有近20000个真空管的计算机来说，用不可靠、高度敏感且损坏后难以查找的晶体管来替代它们，显然不是理想的选择。因此，在晶体管时代，关键的技术进步集中在制造可靠的晶体管上。为此，科学家和工程师首先从使用锗晶体管转向使用硅晶体管，其次，物理设计从点接触晶体管演变为独立封装的结型晶体管。到 20世纪

8:43 50 年代末，RCA501、NEAC-2203和

8:46 IBM 7000系列（例如这款 7090）是最早一批公开上市的商用晶体管计算机，并被宣传为晶体管计算机。在接下来的几年里，晶体管

9:02 从相对脆弱的结构发展成为更可靠的平面晶体管。1959 年，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）被发明，它是一系列不同类型的晶体管。1963年，由两种不同类型的

9:18 MOSFET构成的

9:20 CMOS电路被发明，到 20世纪 80年代中期，它成为所有计算机（甚至直到今天）使用的基本晶体管类型和排列方式。尽管晶体管的设计一直在不断发展，我们还是决定

9:36 将计算机的第一个时代结束于1962年，因为最后一台使用真空管的计算机诞生了。值得一提的是，虽然我们主要关注计算机和处理能力，但计算机内存也有其自身的发展历程。早期的数据存储方法包括一些非常有趣的技术，例如利用汞管中的声波（称为汞延迟线）或利用阴极射线管和荧光粉的发光。后来，人们开始使用小型磁环（其间用手工编织的铜线连接，称为磁芯存储器）和大型磁鼓 ，之后又出现了磁带、磁盘、DRAM等等。计算机内存和存储的发展历程极其复杂，我们将在另一期视频中详细探讨。由于时间限制，我们省略了许多细节，但如果您感兴趣，可以阅读以下补充说明。在迈入计算机的下一个时代之前，我们必须明白，科学突破和技术进步通常并非偶然。相反，无论是从真空管到晶体管，还是从显卡到人工智能处理器，每一步的进步都离不开众多勤奋努力的人们，他们对科学和工程有着深刻的理解，并通过批判性思维和问题解决能力将这些知识应用于实践。本视频的赞助商

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12:46 还能让您享受年度高级订阅20%的折扣，让您 每日无限畅享Brilliant上的所有内容。接下来，让我们进入第二个时代，

13:00 从1964年到1977年，我们称之为“晶体管封装时代”。我们将用以下计算机实例来演示计算机是如何从房间大小的大型机发展到冰箱大小的小型机，再到被称为微型计算机的个人台式电脑的。把这些体积庞大的计算机称为小型机和微型机，尤其是在与如今的智能手机和智能手表相比时，确实有些滑稽。然而，当它们与房间大小的大型机相比时，这些名称就显得合情合理了。无论如何，在这一时期的大部分时间里， IBM

13:44 System 360大型机（1964年发布，1978年停产）是最受欢迎、最成功的计算机系列。这些大型机占据了绝对主导地位，从 20世纪

13:59 60年代末到 70年代初，每生产的四台计算机中就有大约三台是 IBM

14:04 System 360大型机。这些计算机具有革命性意义，原因有很多，但它们确立的一个关键概念是：整个 360系列大型机都采用了标准化的计算机架构，使得

14:21 相同的软件可以在任何型号上运行。本质上，IBM System

14:25 360为设备和软件的兼容性奠定了基础，同时也预示着客户每隔几年就可以购买并升级到更新的型号，而使用过程中遇到的干扰最小。例如，使用

14:44 System 360，可以升级

14:46 CPU，只需将 CPU机箱更换为最新的机箱即可，每个机箱在技术上被称为一个框架或单元。或者，如果要将计算机的内存容量从 256 KB增加到

15:02 512 KB（这相当于为台式电脑添加 DRAM内存条），只需安装包含磁芯内存阵列的额外机箱即可。由于

15:13 System 360对计算机行业的影响，它被认为是计算机界的 T 型车，并且由于它的成功，IBM垄断了计算机市场，最终发布了

15:27 14款标准生产型号，售出了超过 33,000台大型机，其中最便宜的也要一百多万美元。你可能会问，既然这些计算机使用的是芝麻粒大小的晶体管（与真空管相比体积小得多），为什么

15:53 它们仍然如此庞大，占据了整个房间的空间？为了解答这个问题，让我们来了解一下IBM System 360

16:07 Model 75。这台计算机造价约3600万美元，每秒可执行一百万条指令

16:11 ，曾被NASA用于阿波罗计划期间的火箭轨迹计算。我们先来快速浏览一下这台计算机，从系统控制面板开始。控制面板上布满了数百个开关、旋钮和指示灯，用于操作计算机、读取 寄存器中的数据、快速调试以及执行其他各种任务。CPU和CPU内存都连接在控制面板上

16:39 。每个内存柜可容纳256KB的磁芯内存，访问 速度极快，仅为0.75微秒。如果需要更多内存，

16:55 可以安装额外的CPU内存柜，每个内存柜可容纳2MB，访问时间为8微秒。为了长期存储数据，这台计算机使用装有磁带卷轴的机柜，每卷磁带可存储 45兆字节的数据，使用

17:14 2400英尺长的磁带。或者，为了加快访问速度，可以将数据保存到大型磁板甚至更大的磁鼓上。要将程序加载到计算机中，必须将其写入数千张穿孔卡片，然后通过穿孔卡片阅读器加载，该阅读器每分钟可以处理 200到

17:42 1000张穿孔卡片。此外，还有打印机、键盘和阴极射线管显示器。所有这些模块都通过穿过架空地板的数千根电线连接起来。我们没有时间详细介绍每个机柜的内部结构，但让我们来看看 CPU，了解它的工作原理以及它体积如此之大的原因。在这个机柜内部，我们发现了一排排的电路板。检查其中一块电路板，我们可以看到大约二十几个方形金属元件，称为

18:14 SLT 或固态逻辑技术。每个SLT封装内部都包含多个芝麻粒大小的晶体管，以及二极管和电阻器，它们全部连接在陶瓷基板上。这种封装的制作方法是先在陶瓷基板上印刷导线和电阻器，然后在顶部安装一组独立的晶体管和二极管。

18:40 这些元件由金属盖保护，SLT封装底部伸出通孔引脚， 用于将其安装到印刷电路板上。例如，其中一个SLT元件是与逻辑门；另一个是或逻辑门；这里还有一组反相器。电路板上还安装了电容器、电感器和其他电子元件。通过连接所有

19:06 SLT封装和其他元件，例如，这块电路板能够计算两个二进制数的和。CPU 极其复杂，包含许多不同的部分，因此，要构建一个完整的CPU，

19:21 需要一整套装满电路板的机柜，每个电路板上都覆盖着SLT元件。因此，要构建一台可运行的大型计算机，需要一屋子的装满计算机硬件的机柜。那么，我们先来说说大型计算机。你可能熟悉早期的台式电脑和类似这样的微芯片。这种 微芯片内部包含一个集成电路（IC），那么，集成电路在这个发展历程中处于什么位置呢？

19:56 你可能会认为，每个封装只有几个晶体管的SLT封装是集成电路的前身 。然而，第一个集成电路实际上是在1958年发明的，比

20:11 第一台System 360大型计算机和SLT封装的发布早了六年。因此，集成电路是制造和封装晶体管的另一种方法，它

20:25 与SLT封装是并行发展的。接下来，我们来讨论一下集成电路（IC）。首先，之所以称之为集成电路，是因为多个晶体管、电阻器、电容器和二极管通过一系列复杂的制造步骤同时构建，然后用多层导线连接在一起。尽管集成电路看起来相对扁平，但实际上它们是复杂的多层三维结构。相比之下，分立晶体管要么 在一个封装中只有一个晶体管，要么在SLT封装中以多个独立晶体管的形式存在。

21:07 在集成电路发展的早期阶段，即1958年至1965年间，科学家和工程师只能将 少量晶体管集成到集成电路（IC）中，以构建基本的逻辑门。这些芯片

21:22 最多包含10个晶体管以及其他一些元件，被归类为小规模 集成电路（SSI）。它们比方形的SLT封装更小更轻，但也极其

21:38 昂贵，最初每个芯片的售价超过1万美元。因此，早期的集成电路 仅用于一些特殊应用，例如阿波罗计划的制导计算机。到了20世纪60年代中后期，随着制造技术的显著进步，集成电路发展到了

22:00 中规模集成电路（MSI），其规模从10个晶体管集成

22:08 到单个硅衬底上，数量从500个晶体管不等，价格也开始更加亲民，并逐渐应用于商用计算机中。 DEC公司推出的PDP-8小型

22:19 计算机就是一个采用SSI和MSI电路混合设计的典型例子。这款计算机取得了

22:21 商业上的成功，每秒可执行385,000条指令，其小巧的体积和 相对合理的价格极大地提高了计算机的普及率。其他使用MSI芯片的计算机包括

22:42 1973年推出的施乐Alto，它包含4个独立的74181芯片，每个芯片由170个晶体管组成， 可以执行一些简单的计算。下一步是大规模集成电路（LSI），

23:00 它将500到20,000个晶体管集成到单个芯片上。1971年， 英特尔发布了4004芯片，它被广泛认为是首款商用

23:17 集成电路CPU。这款芯片包含2,300个晶体管，以4位为单位处理数据， 每秒可执行92,000条指令。虽然这确实是第一款CPU芯片，

23:33 但由于其4位运算能力，处理能力极其有限，因此主要应用于简单的计算器和收银机等设备。 到1974年底，又有两款CPU——英特尔8080和摩托罗拉6800——相继问世。尽管它们

23:55 被用于一些微型计算机，但单芯片价格就高达约2500美元。如此 高昂的价格促使MOS 6502的研发。这款芯片于1975年发布，售价仅为

24:10 150美元左右，包含4528个晶体管，并采用8位架构。由于这款芯片 价格实惠，且拥有每秒44万条指令的相当不错的处理能力， 它开启了个人电脑时代。1977年，

24:33 由Apple 2、Commodore PET和TRS-80组成的“个人电脑三巨头”相继问世，

24:40 其中两款电脑都采用了MOS 6502芯片。6502的架构和低廉的价格影响巨大，被广泛

24:49 应用于数十种计算机和设备中，包括Atari和NES等。接下来，我们来看看集成电路的下一个发展阶段。随着 制造工艺的进一步改进，包含2万个或更多晶体管的超大规模集成电路（VLSI）芯片

25:10 应运而生。例如，1978年推出的Intel 8086是

25:18 最早的16位CPU芯片之一，包含约2.9万个晶体管。我们将 在下一阶段更详细地探讨这些芯片的发展历程。我们决定将第二阶段的结束时间定在1977年，因为这一年被认为是大众市场个人电脑的开端。但在进入下一个阶段之前，

25:40 让我们先探讨一个关键问题：如果IBM在 20世纪60年代和70年代垄断了大型计算机市场，为什么它没有继续保持领先地位，引领集成电路的发展呢？

25:55 正如我们之前讨论的，IBM凭借System 360系统确立了其市场主导地位，这得益于其

26:03 在SLT封装方面的大量投资。当时，IBM实行垂直整合，建立了 专门的工厂和生产线，致力于大规模生产廉价可靠的SLT组件，

26:17 以及整个大型计算机及其所有相关部件。相比之下，在60年代初期，小型集成电路价格极其昂贵，仅用于 火箭制导计算机等小众应用领域。值得注意的是，IBM确实开发了用于

26:38 存储器的集成电路，事实上，它在1968年获得了首个DRAM集成电路的专利。此外， 在SLT之后，IBM为370开发并过渡到了MST（单片系统技术）。

26:55 IBM的大型机系列本质上是将小型集成电路封装在 SLT外形尺寸的机箱内。然而，IBM在集成电路开发方面的滞后，使得仙童半导体、德州仪器以及后来的英特尔等公司

27:15 在集成电路的研发和制造方面建立了相当大的领先优势。SLT虽然使IBM成为市场领导者，但在向集成电路转型这一关键时期， IBM将资金从成熟技术中抽调出来投入集成电路并不明智。

27:41 此外，1969年至1982年间，美国政府 对IBM进行了反垄断调查，这可能抑制了IBM利用其市场主导地位成为

27:51 集成电路市场领军者的意愿。另外，在20世纪60年代和70年代，个人电脑市场的潜力尚未被人们所认识。许多专家熟悉的是企业和大学使用的大型、昂贵的主机和小型计算机，因此无法预见计算机会缩小到台式机大小，也无法预见个人 电脑会在家庭中扮演的角色。事实上，1977年，DEC公司的首席执行官曾声称“任何个人都没有理由在家中拥有一台电脑”。此外，尽管

28:33 在70年代末和80年代初，许多流行的个人电脑成功上市，但直到1984年，个人电脑市场的收入才超过主机市场。这给我们带来了两个教训。首先，我们无法确定哪种技术会在每个时代都占据主导地位。其次，虽然个人电脑似乎取代了主机市场，但更准确的说法是，个人电脑市场在随后的几年里拥有更大的增长潜力。相比之下，大型机市场的扩张主要集中在上世纪六七十年代，八十年代陷入停滞，之后开始下滑。如今，类似的趋势依然存在。人工智能数据中心的需求正在迅速增长，但这并不意味着人工智能数据中心会取代台式电脑、笔记本电脑和智能手机的销量，而是因为这些设备的市场已经成熟，因此增长速度放缓。关于计算机发展的第二个阶段，还有更多细节值得探讨，如果您有兴趣，可以阅读以下补充说明。现在我们已经结束了晶体管封装时代 ，接下来让我们进入第三个阶段，即1975年至2000年。您或许认为第三个阶段是个人电脑时代，但由于我们关注的是技术变革以及

30:07 推动处理能力提升的因素，因此第三个阶段的重点是不断提高CPU时钟频率，我们将其称为“频率竞赛”。在这个时代，我们将见证计算机 时钟频率从1兆赫兹跃升至1吉赫兹，处理能力至少提升一千倍。但在那之前，我们想说明，制作这些视频极其复杂。虽然我们使用了一些历史图片，但

30:37 我们尽力在视频中呈现尽可能多的精细3D模型和细节。具体来说， 每个包含内部组件的3D模型都需要在Blender中耗费数百小时才能完成，

30:51 因此，所有这些模型的制作和动画制作总共耗时超过3000小时。我们非常荣幸能够免费提供这些视频。虽然我们的 赞助商Brilliant和YouTube广告会给我们带来一些收入，但如果您能在Patreon上支持我们，那将对我们帮助极大。主要的福利是，我们会在每期视频的结尾列出所有贡献者的姓名。我们也在制作独家幕后花絮视频，并考虑推出其他福利。如果您喜欢这个视频，请花点时间在下方留言或提问，我们会尽力回复。如果您还没有订阅我们的频道，请务必订阅，点赞这个视频，最重要的是，把它分享给您的朋友、家人或同事。您的支持对我们至关重要，能帮助我们制作更多视频，感谢您的观看。最后，您可能已经注意到，这个视频即将结束。计算机的发展历程极其复杂，因此我们计划将这个视频分成四集播出。

31:58 这是第一集，涵盖1945年至1977年，即计算机发展历程的前两个 阶段。第二集将探索第三和第四阶段，时间跨度为1975年至2011年，

32:15 主题分别为“频率竞赛”和“多核CPU”。第三集将介绍第五 阶段，包括FinFET、智能手机和片上系统（SoC）。第六阶段将聚焦显卡。最后一集将探讨第七阶段，即人工智能处理器（或称张量处理单元）及其在人工智能算法中的应用。第八阶段，我们将展望计算机的未来。所有剧集完成后，我们将把它们剪辑成一部关于计算机发展历程的长篇电影。敬请期待下一集，说实话，由于我们团队规模较小，制作下一集可能至少需要三到四个月的时间，但我们希望一切等待都是值得的。在此之前，我们衷心感谢所有

33:08 Patreon和 YouTube会员赞助者对我们视频的支持。如果您想在经济上支持我们的工作，可以在下方说明中找到相关链接。这里是

33:18 Branch Education，我们制作 3D动画，深入探讨驱动现代世界的技术。点击下方卡片即可观看其他 Branch视频，或点击此处订阅。感谢您观看至最后！