从古至今，人类为了更好地适应和管理世界，不断发展和完善数学运算
早期计算与机械时代
1804年，法国人约瑟夫・玛丽・雅卡尔，发明了提花编织机利用打孔卡片来控制织布机上的编织图样。
卡片上的孔代表不同的指令，通过将卡片按一定顺序排列并送入织布机，就能自动控制经线的升降，从而织出各种复杂的花纹图案。这一发明极大地提高了织布效率和织物的复杂程度，使大规模生产复杂图案的纺织品成为可能。
这对后来计算机的发展产生了深远影响，打孔卡片的概念被应用到早期计算机的编程和数据存储中。
1834 年，英国数学家、发明家查尔斯・巴贝奇在之前设计的差分机基础上，开始设计名为分析机的计算设备。
分析机采用了雅卡尔发明的穿孔卡片来输入指令和数据，能够进行复杂的数学运算和逻辑处理，并且可以根据预先设定的程序自动执行计算任务。
查尔斯・巴贝奇提出了最初的算术逻辑单元概念模仿它可以执行四种算术运算执行过程中提出了条件分支和循环形式的控制流思想不仅能执行特定的运算还能按照给定的数据顺序执行一系列操作此外，巴贝奇还提出了齿轮式存储器存储仓库的概念，使这台机器能够保存1000个50位的十进制数字
虽然巴贝奇最终未能完全实现分析机的建造，但他的设计理念和思想为现代计算机的发展奠定了重要基础。
因此，人们将巴比奇称为计算机的鼻祖。
其助手爱达·洛夫莱斯（Ada Lovelace）为巴比奇的分析机设计了求解伯努利方程的程序。
因此，人们称她为世界上第一位计算机软件工程师。为纪念爱达的伟大贡献，后来美国国防部的标准程序语言以“ADA”命名。
电子管与早期计算机
1883 年，美国发明家托马斯・爱迪生在研究灯泡时，多放了一个带有薄片的电极进去，他发现了一个奇特的现象：当灯泡内的灯丝通电发热后，与灯丝相对的那个薄片电极上会有电流通过，而在这两个电极之间并没有直接的导体连接。这一现象后来被称为爱迪生效应。
爱迪生效应实际上是电子从加热的灯丝发射出来，在电场作用下向薄片电极移动形成电流，它是热电子发射现象的早期发现，为后来电子管的发明奠定了基础。
1904 年，约翰・弗莱明在爱迪生效应的基础上，通过灯泡内的金属板来控制电流的方向，将交流电转化为直流电，实现了单向电流的整流功能，从而发明出二极管。
二极管由一个阳极和一个阴极构成，具有单向导电性，只允许电流从阳极流向阴极，而阻止电流反向流动。这一特性使得二极管在电子电路中有着广泛的应用，如整流、检波、限幅等。弗莱明发明的二极管是电子技术发展史上的一个重要里程碑，为后来电子管的发展和电子技术的进步奠定了基础。
1906 年，美国发明家李德・弗雷斯特在二极管的阴极和阳极之间放置了一个控制电极，使得电流可以通过该电极电压进行调节，从而实现了信号放大，发明出真空三极管，由此正式拉开了电子工业革命的序幕。
1937 年，英国计算机科学家、数学家、逻辑学家、密码分析学家、理论生物学家、哲学家艾伦・麦西森・图灵发表了一篇名为《论可计算数及其在判定问题上的应用》的论文。
文中提出了一种抽象化的通用计算模型，由一个虚拟的机器来代替人类进行数学运算。图灵把人们使用纸笔进行数学运算的过程看作两种动作，即在纸上写上或擦除某个符号，将注意力从纸的一处移动到另一处。为了模拟人类的这种运算过程，图灵假想出一台由一条无限长的纸带、一个可以读写纸带的操作头、一个控制操作头移动的规则表和一个状态寄存器组成的机器，这个机器模型被后人称为图灵机。
图灵机进一步描述了计算过程中的控制流和时序的概念，那个控制操作头移动的规则表被视为最早计算机指令集的抽象形式，具有条件分支存储机制、循环或递归的特性，也被称为图灵完备。图灵机的提出对计算机科学的发展产生了深远的影响，为现代计算机的设计和理论基础奠定了重要基石。
1938 年，美国科学家、爱荷华州立大学教授约翰・阿塔纳索夫（John Atanasoff）和他的研究生克利福德・贝瑞（Clifford Berry）设计出能解线性代数方程的计算机。两人分别取姓氏的第一字母 “A”“B” 与 “computer” 的首字母 “C” 进行组合，将这台计算机命名为 ABC（Atanasoff - Berry Computer） 。
尽管 ABC 计算机相比于早期的计算机有了重大进步，但它存在局限性，无法全自动的解决整个问题，在运行过程中，仍需要操作员通过前面板的开关和跳线进行操作。ABC 计算机在计算机发展史上占据重要地位，为后续计算机的发展奠定了基础。
1944 年，IBM 依据哈佛大学博士霍华德・艾肯的设计方案，成功制造出一款专门用于求解微分方程的机械式电子计算机。起初，它被命名为自动分区控制计算机，同年交付给哈佛大学后，更名为哈佛 Mark1。
哈佛 Mark1 的机器主体构造较为复杂，由开关继电器、旋转轴以及离合器等部件组成。其内部使用了多达 765,000 个继电元件，电线铺设长度达数百英里。整台机器体积为 23 立方米，重量约 4.3 吨，体型庞大。
在运行机制方面，其基本计算单元需以机械方式同步供电，以此驱动一根长达 15 米的驱动轴，因此配备了功率为 3.7 千瓦的电动机作为主电源和系统时钟。值得一提的是，该机器具备高度自动化的特点，无需人工过多介入，便可实现全自动运算。
在设计上，哈佛 Mark1 具有创新性，它包含分离的存储系统，这一设计使得计算机能够同时读取指令和数据，有效提高了运算效率，在计算机发展历程中具有重要意义，为后续计算机的设计与发展提供了宝贵的经验和借鉴。
第二次世界大战时，世界对计算的要求不断增加
每发炮弹都需要计算高度和角度才能发射
真空管被大量应用于军事方向的数据计算设备
1945年，美国宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院以莫奇利（John William Mauchly）和埃克特（J. Presper Eckert）为首的小组，研制出了一台数字电子计算机 —— 埃尼阿克（ENIAC，全称为 Electronic Numerical Integrator and Computer ）。
埃尼阿克隶属于美国军方，于 1943 年启动研制工作，整个项目总共花费 48 万美金。它主要服务于美军的弹道研究实验室，为陆军提供火力弹道表的非线性方程运算。
埃尼阿克体型巨大，重达 30 吨，占地面积约 140 平方米。其基本运算元件采用了约 18800 个真空电子管，还使用了 1500 个继电器，功率高达 174 千瓦。这台计算机采用十进制运算，每秒能够进行 5400 次加法运算，速度是手工运算的 20 万倍。在时钟信号产生方面，它运用了基于物理机制的机械旋转鼓来实现。
埃尼阿克作为世界上第一台通用电子数字计算机，虽然存在诸多局限性，如体积庞大、能耗高、存储容量有限等，但它标志着电子计算机时代的开端，为现代计算机技术的发展奠定了基础，具有划时代的意义。
在埃尼阿克正式投入运行那年，曾参与曼哈顿计划的匈牙利美籍犹太人数学家、理论计算机科学与博弈论的奠基者约翰・冯・诺依曼，发表了关于离散变量自动电子计算机的草案。
计算机的基本原理和体系结构：
一是由二进制替代十进制；
二是在结构上分为运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件，以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据都传送至运算器运算；
三是核心内容采用存储程序思想，指令和数据以二进制形式存于同一存储器，指令由操作码和操作数组成，通过控制单元从存储器中按地址取出指令，并根据指令操作码执行相应操作。虽数据总线和指令线共用导致取指令和取数据不能同时进行，限制指令运行速度，但该架构具有简洁性、通用性和灵活性，能让计算机执行不同类型任务，支持存储程序概念，便于程序修改更新。
后来，冯・诺依曼带领艾尼阿克原班人马，采用新架构重新设计通用电子计算机架构，研制出 EDBACK ，该设计被称为冯・诺依曼架构，因完成论文时冯・诺依曼在普林斯顿高等研究院工作，也被称为普林斯顿架构。
还有一种架构，是 IBM 移交给哈佛大学的哈佛 mark1 计算机所采用的指令和数据完全分离存储的架构，即哈佛架构。其特点为：第一采用并行结构，将指令存储器、指令总线和数据存储器、数据总线相互分离，执行指令时取指令和取数据可同时进行，安全和稳定性高；第二一般指令线宽于数据线，执行效率更高、速度更快；第三指令大多是字节指令，提高程序存储器空间利用率，利于实现超小型化，但会增加成本和软件设计复杂度，需要统一规划连接地址等。
另外有一种改进型哈佛架构，将数据总线和指令总线等两组系统总线合为一组，使用分时复用方式访问，节省总线资源，且不改变哈佛结构数据和程序指令分开存储的本质。
就目前微型计算机而言，人们在哈佛架构和冯・诺依曼架构基础上，在处理器内部增加缓存结构，分为 d catch（数据缓存）和 i catch（指令缓存），分别用于存储数据和程序指令，外部使用 ram 存储数据和指令，仅在需要改变数据时，处理器内部缓存才到 ram 中加载新数据，这是一种混合式架构，从内部看属于哈佛架构，从外部看属于冯・诺依曼架构，已不再是纯粹的单一架构。除冯・诺依曼架构和哈佛架构外，还存在基于不同原则和设计理念的其他计算机架构，用于满足特定的应用需求。
晶体管的诞生与集成电路
在早期使用真空管的计算机设备中，真空管带来了不少棘手问题。真空管工作时会发光，这一特性竟然还吸引了昆虫。于是，工作人员不得不定期清扫机器内的虫子，以免影响设备运行。不仅如此，真空管还容易烧坏，每隔两天就得更换坏掉的真空管，这无疑给设备的稳定运行带来了极大挑战。
也正因如此，军方急切渴望拥有更为稳定的计算系统。此时，威廉・肖克利走进了人们的视野。他是麻省理工学院的物理学博士，尽管同事们对他个人可能有所不满，但都不得不承认，他是当时最为顶尖的物理学家之一，或许能为解决计算系统的稳定性问题带来新的思路与突破。
1945 年，肖克利首次提出了固态阀门理论
肖克利的两位同事，约翰・巴丁和沃尔特・布拉顿，基于肖克利此前通过三极管和 PN 结提出的半导体放大信号功能的场效应设想展开研究。1947 年，他们仅用几条金箔片、一片半导体材料和一个弯支架，制成了一个能实现电流传导、放大和开关功能的小模型，并将其命名为点接晶体管放大器 。
巴丁(左)、布拉顿(右)和肖克利因为晶体管的发明，共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖
肖克利本因同事的实验成功证明了自己的理论，却心生不满。一方面，他渴望发财；另一方面，由于他人际交往能力欠佳，巴丁和布拉顿在申请专利时，未将提出理论的肖克利列入其中。这让肖克利大为光火，觉得自己被辜负，于是决定不再与他们合作，独自开展研究。
1949 年，肖克利成功将相关功能集中在半导体内实现，发明了双极结型晶体管（BJT）。
相较于之前巴丁和布拉顿发明的点接晶体管放大器，BJT 优势明显，比如不会出现像点接晶体管放大器那样门一关导线就震落的情况。
自此，结型晶体管凭借其出色性能，开始逐步替代笨重的电子管，成为真正具有实用价值的晶体管，正式拉开了微电子时代的序幕。
同一时期，冷战正式爆发，世界分裂为东西两大阵营。为在军备竞赛中占据上风，对小型化且高可靠性计算机的需求日益迫切。随着时间的推进以及各领域科学家的共同努力，晶体管持续发展进化。
在体积方面，越做越小；在成分上，逐渐从锗元素向更为常见的硅元素转变。与锗晶体管相比，硅晶体管能够承受更高的温度和电压，性能更加优越。
1952 年，英国电子工程师杰弗里・达默（Geoffrey William Arnold Dummer）在美国的电子元件研讨会（the US Electronic Components Symposium）上宣读了一篇论文。
在论文结尾，他表示，随着晶体管的问世以及半导体研究的广泛开展，如今似乎能够设想制造出一种没有连接线的固体块状电子设备。
该固体块可由多层绝缘、导电、整流、放大材料构成，电子功能通过切割各层区域来直接实现连接。
其核心目的在于运用特定工艺，摒弃杂乱的导线设计，把原有电路中所需的晶体管、电阻、电容、电感等各类元件连接在一小块半导体芯片上。
这一创新性概念，便是后来所称的 “集成电路”。
它为电子设备的发展开辟了全新的方向，有望使电子设备朝着更小型化、集成化的方向迈进，极大地改变电子行业的发展格局。
1955年，看着德州仪器公司靠自己发明的晶体管 赚了一大笔钱，不满的肖克利创立了肖克利半导体公司
1956年，肖克利因为发明了晶体管 获得了当年的诺贝尔物理学奖
1955 年，威廉・肖克利创立肖克利半导体公司后，招揽了八位极具才华的青年进行培养。起初，这八人计划用硅替代当时价格高昂的锗来制造晶体管，他们觉得凭借肖克利这位诺贝尔奖得主老板的本事，攻占市场应该轻而易举。
然而，相处一段时间后，他们发现老板虽在技术方面有一定实力，但为人不咋地。在硅材料已成为行业发展趋势的大环境下，肖克利却放弃了硅晶体管项目，还坚决表示要执着于锗半导体，仿佛要与锗半导体 一起入土。这一举动让这八位年轻人直接一脸懵。他们担心老板的一意孤行不仅可能使公司无了，甚至可能让他们自身的事业发展也game over。
1957年，他们八人选择集体离职
肖克利半导体公司的八位青年通常被称为 “八叛逆”
八叛逆在Fairchild Semiconductor，1959年。从左至右分别是：Gordon Moore、Eugen Kleiner、Sheldon Robertse、Robert Noyce、Victor Grinich、Julius Blank、Jean Hoerni、Jay Last。
罗伯特・诺伊斯：他是集成电路的发明人之一，有 “硅谷市长” 的美誉。离开肖克利半导体公司后，他与他人共同创立了仙童半导体公司，后又参与创办英特尔公司，并担任英特尔公司的首任首席执行官。他在集成电路技术方面取得了许多重要突破，推动了半导体行业的快速发展。
戈登・摩尔：他是英特尔公司的创始人之一，提出了著名的 “摩尔定律”，即集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律对半导体行业的发展产生了深远影响，成为了推动半导体技术进步的重要理论基础。
尤金・克莱纳：离开肖克利半导体公司后，他参与创立了仙童半导体公司。之后，他成为了一名风险投资家，参与创建了著名的凯鹏华盈（KPCB）风险投资公司。
谢尔登・罗伯茨：他在离开肖克利半导体公司后，在仙童半导体公司等企业从事技术研发工作。
杰伊・拉斯特：他是一位杰出的半导体工程师，在仙童半导体公司工作期间，参与了多项重要的技术研发项目。
维克托・格林尼奇：他在半导体领域有着丰富的经验和深厚的技术功底，离开肖克利半导体公司后，在仙童半导体公司等企业继续从事相关工作。
朱利叶斯・布兰科：他在离开该公司后，与其他七人共同创立仙童半导体。
吉恩・赫尔尼：发明了扩散工艺，这一工艺成为了现代半导体制造的基础技术之一。
之后，罗伯特诺伊斯与戈德摩尔开始合伙创业，他们来到纽约，找到了一家叫做仙童摄影器材的公司。 并向公司创始人谢尔曼费尔柴尔德寻求合作，在费尔柴尔德3600 美元的种子基金和 150 万美元（也有说138万的）的财力支持的养老金和答应给他两年的购买特权后 。 仙童摄影器材公司摇身一变 ，成为大名鼎鼎的仙童半导体公司FAIRCHILD。
同年，美国陆军钻石军械引进实验室的杰伊・拉斯罗普与詹姆斯・纳尔发明了一项光刻技术，并申请了专利。该专利能够用于沉积薄膜金属条，借此连接陶瓷板上的分立晶体管；还可在二氧化硅层中蚀刻出孔，以实现微加工二极管阵列 。
1959 年，拉斯罗普前往德州仪器公司任职，而纳尔则加入了仙童半导体公司。
1958 年，世界上第一块集成电路由德州仪器公司新聘请的工程师杰克·基尔比研制成功。
这块集成电路长 11.1 毫米、宽 1.6 毫米，是在锗半导体上集成了晶体管、电阻和电容等多种元件。
在全人类的见证下，这项具有划时代意义的伟大发明，随着时间的推移，沉淀出不可估量的价值。
1959年，巴叛逆之一仙童半导体公司的吉恩赫尔尼
发明了关键性的平面工艺
1960 年，仙童半导体公司的创始人之一罗伯特・诺伊斯，以吉恩・赫尔尼发明的平面工艺为基础，利用硅成功研制出了更为实用的集成电路。
当时，德州仪器公司的杰克・吉尔比虽于 1958 年就制造出了世界上第一块集成电路，但该集成电路存在一定缺陷。在电子元件的连接过程中，仍然需要使用导线，这在一定程度上限制了其性能与应用范围。
基于此，诺伊斯认为自家仙童公司所研发的集成电路，才是真正意义上更为完善的集成电路。也正因如此，在整个 60 年代，仙童半导体公司与德州仪器公司围绕集成电路的发明专利争论不休。
这场激烈的纷争最终闹到了法院。然而，由于集成电路技术过于复杂前沿，法院表示难以判定归属（其实就是看不懂），最后给出判决：
鉴于双方在集成电路发明过程中都做出了重要贡献，建议两家公司商量一下，共同享有 “集成电路之父” 这一荣誉称号。
在当时的美苏冷战局势下，太空成为了一个至关重要的竞争战场。
苏联的太空计划进展迅猛，这让美国深感焦虑。为了追赶苏联在火箭和导弹领域的领先地位，美国随即开展了紧急计划。1961 年，肯尼迪总统宣布美国将实施载人登月计划，目标是向月球派送一名宇航员 。
仙童半导体公司的诺伊斯敏锐地意识到，他们研发的集成电路在太空领域拥有巨大的市场潜力。事实也正如他所料，继火箭项目之后，仙童公司迎来了来自美国国家航空航天局（NASA）的大量订单 。
麻省理工学院的工程师们经过反复实验，发现只有集成电路能够满足太空这一极端尖端环境的需求。于是，他们果断选用了仙童公司的集成电路芯片。事实证明，集成电路具备重量轻、耗电小、占地面积小等诸多优势。最终应用在阿波罗 11 号上的计算机，重量仅为 31.7 千克，比预期减重了三分之二，这般成果着实令人惊叹。
阿波罗计划的成功实施，极大地推动了仙童公司的发展。公司规模迅速扩张，从一家初创企业发展成为拥有 1000 名员工的企业 。而且，凭借 NASA 这一极具影响力的背书，仙童公司在全球范围内站稳了脚跟。
另一边，德州仪器的吉尔比得知仙童公司在太空项目中的成功后，也更加坚信集成电路能够广泛应用于美军的各类武器装备中。经过积极的推销与详细介绍，美国航空实验室同意资助德州仪器的芯片研究项目。
在公司发展早期，仙童和德州仪器都获得了来自美国军方的大量订单。军方在六年内为这两家公司提供了高达 3200 万美元的资助。然而，军方资助是有条件的，不仅要求签署保密协议，而且相关专利不归公司所有。
诺伊斯深知不能过度依赖军方订单，于是说服公司董事会，在香港开设了海外工厂。
一方面，通过此举降低芯片生产成本；另一方面，利用摩尔定律，将芯片价格大幅降低，定到了当时市场价格的零头，以此提升产品的市场竞争力。
1965 年，时任仙童半导体公司研发总监的摩尔，受邀为《电子学》杂志 35 周年纪念刊撰写稿件。此次撰稿的主题是预测未来 10 年半导体元件行业的发展走向 。
在稿件中，摩尔提出了集成电路发展与时间的指数关系理论。他指出，在价格保持恒定的情况下，每隔一年，单个集成电路内的元件数量便会翻倍 。这一观点为当时的半导体行业发展趋势提供了极具前瞻性的预测。
到了 1975 年摩尔在国际电信联盟 IEEE 的学术年会上提交了一篇论文，摩尔依据市场的实际发展状况，对之前的预测进行了修正，将元件数量翻倍的周期调整为每两年一次 。这一经过完善的理论，被人们称作 “摩尔定律”。
尽管从表面上看，摩尔定律似乎缺乏严谨的科学推导依据，然而在后续的岁月里，无数的技术突破与产业进步，都在一定程度上遵循着摩尔定律所预测的轨迹前行，深刻影响了全球半导体产业的格局与发展进程。
20 世纪 60 年代初期，仙童半导体公司是硅谷的标志性企业，为美国的 “阿波罗” 飞船和 “民兵 -Ⅱ” 导弹等重大项目提供了关键的制导计算机和集成电路，在军事市场占据重要地位。
1966 年，计算机公司向仙童订购的芯片数量接近军方，仙童半导体公司逐渐摆脱了对军方的依赖，公司年销售额达到 2 亿美元。
但当时给仙童投资的公司老板按照约定用 300 万美元收回了所有的股权，这一举措导致仙童的所有精英再次陆续跑路。
随后诺伊斯与戈登・摩尔、安迪・葛洛夫离开了仙童半导体公司，打算白手起家，再次开创一番事业。
三人一致认为计算机存储芯片是最有发展潜力的半导体市场，且这一市场几乎完全依赖于高新技术。
于是，摩尔开始为新公司命名，提出由 “集成” 和 “电子” 两个英文单词进行组合，象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达。
1968 年 7 月 18 日，集成电路公司英特尔正式成立。诺伊斯和摩尔各出资 24.5 万美元，风险资本家阿瑟・罗克出资 1 万美元并募集了 250 万美元投资（48小时拉到的）。罗克出任公司董事会主席，罗伯特・诺伊斯任 CEO，戈登・摩尔出任执行副总裁，公司在加州山景城正式运营。
微处理器的诞生与个人电脑革命
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