劉興亮 | 極簡算力發展史

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今天談一個相對陌生但實際上與信息時代息息相關的概念——算力，英文名computing power，直譯就是計算機能力，通俗理解就是「計算能力」，主要指向計算機處理器的運算速度。

這種能力是人類在自我發展中不斷強調但無論如何訓練都受到限制的能力。比如說，一個人可以憑借自身的智力優勢和后天練習，發展出超出常人一截的口算心算能力，但即便加上筆算，人腦的計算力仍然有不可逾越的天花板。

一個普通人計算三位數的加減法尚可，乘除法就異常困難，不信你自己默算一下223乘489等于多少，基本上在短時間內算不出來，甚至干脆算不出。但是這樣的題目對于最低級的計算器只是須臾之力。更別提平方、立方、多次方乃至開方的口算心算筆算了，聽著就頭疼，嗡嗡的。

實際上，在現代科學和技術領域，算力要求的東西遠比人腦能承受的范圍大得多得多，比如導彈的滑行軌跡，火箭的運行數據，哪怕是一輛電動汽車的控制，也涉及到無法估量的計算。

設想一臺新能源車要在自動駕駛模式下貼庫停車，借助傳感器和攝像頭的數據，它要在很短時間內算出方位、距離、制動方法，這里邊涉及到的數據很多，你不能說讓它算上幾個小時再緩慢完成這個指令動作，那就沒什么意義了，不如讓一位「手潮」的女司機試試，大不了碰車嘛，時間才是金錢。

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在微型計算機出現之前，西方早就發明了簡易的計算器，拿在手里薄薄的一板，放入鋰電池后，黑白顯示器能用類似電梯顯示器標識數字的方式，迅速把人輸入的計算題給出答案，只不過這個答案只能給到小數點后8——10位數，它是由計算器的有效位數和四舍五入決定的。

即便如此，對初碰計算器的小朋友而言，它的神奇和魔法是如此巨大，難以用語言形容。這就是「算力」的威力。

但這些實際都是電流的通與不通構成的二進制算法實現的，一個0，一個1，就能發生萬千變化，實現科技飛躍。現在最先進的CPU，比如2025年AMD推出的旗艦桌面處理器AMD Ryzen 9 9950X3D，算力已經達到了這樣的地步，最高加速頻率約5.7 GHz。

意思就是，在條件允許時，這顆CPU的某個核心，每一秒鐘能完成大約57億個最基礎的節拍動作，它每秒能動57億次，天哪！普通人每秒可控制的心理節奏大概是1到5次，特別專注和熟練也不過5到10次，與計算機相比，算力差了好多個十萬八千里。

算力誠可謂信息科技時代的最強核心，令吾輩望塵莫及。更何況如今已進入AI時代，處理能力更有賴于算力，對算力的競爭近乎國運之爭。

現在，我們就回顧一下「算力」的發展簡史，它主要是伴隨計算機中央處理器的發展發生的。

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第一階段：古典時期

古代的算力主要是圍繞人的大腦發生，十七世紀以前，主要是樹枝、算盤用于基本加減乘除。

1617年，約翰·納皮爾發明「納皮爾骨」，簡化乘除運算，由一系列刻有數字的木制或骨制圓柱（或稱為「骨頭」）組成，通過將它們排列并對齊來快速計算乘積，是現代計算器的先驅之一，特別適用于多位數乘法。

1642年，寫過《思想錄》的哲學家布萊斯·帕斯卡在很年輕時發明了一種機械計算器帕斯卡計算器，這個計算器上的轉盤相互鏈接，可以實現輸入和計算的進位等功能，但操作和制作相對復雜，不太普及。

1672年，荷蘭哲學家、數學家戈特弗里德·萊布尼茨發明了一種開創性的機械計算器步進式計算器（萊布尼茨計算器），它是第一臺使用獨特的「步進式滾筒」（萊布尼茨輪）機制執行所有四種基本算術運算（加、減、乘、除）的機器，該機制允許通過重復的加法、減法實現自動乘法和除法。

說實話這臺機器現存僅一臺，到底怎么個用法很難一時弄清。不過據說帕斯卡、萊布尼茨的機械設備提高了計算精度和自動化，但速度慢、易出錯，受限于手動操作。

1822年，查爾斯·巴貝奇設計出了Difference Engine計算器，通過有限差分法（任何多項式函數，都可以通過有限次加法來計算）用于自動計算多項式表格。該設備由Analytical Engine于1833年引入算術邏輯單元、內存和穿孔卡片編程，支持條件分支和循環，成為圖靈完備的先驅。

與此同時，艾達·洛夫萊斯編寫了第一個算法程序。這些設計程序奠定了通用計算基礎，但未實際建造，只是提高了理論計算能力。

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第二階段：電子和機電時代

1930至1940年代出現了早期數字計算機。

1941年，康拉德·楚澤的Z3計算器，使用繼電器，實現浮點二進制運算，是第一個可編程數字計算機。

1942年，阿塔納索夫·貝里計算器引入電子開關，每15秒可執行一次操作。

1945年，第一臺可編程通用電子數字計算機ENIAC在二戰期間由賓夕法尼亞大學建造，用于炮兵計算表等軍事計算，實際戰后才最終完工。這臺龐大的機器使用17468個真空管，其速度之快（每秒可執行數千次運算）堪稱舉世無雙，只是如果要重新編程需要復雜的物理線路改造。盡管它功耗高、體積大，存在局限性和維護難題，但為現代計算機的發展鋪平了道路。

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第三階段：晶體管時代

1947年，貝爾實驗室發明晶體管，1953年應用于計算器曼徹斯特晶體管計算機（Manchester TC），這是世界上第一臺可運行的晶體管計算機。它使用不可靠但低功耗的點接觸晶體管，為更可靠的結型晶體管版本和商業型號Metrovick 950鋪平了道路，展示了對未來計算至關重要的早期晶體管電路技術。

1950年代，晶體管替代了真空管，成為計算器的主要原件。

1955年出現的世界上第一臺完全晶體管化的電腦TRADIC Phase One，每秒可執行一百萬次邏輯運算。

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第四階段：集成電路時代

1950年代末，杰克·基爾比和羅伯特·諾伊斯發明集成電路IC，將多個晶體管集成到硅芯片上。到1964年CDC集成卡性能達到每秒執行300萬條指令，是當時最快超級計算機。

1971年，出現第一個單芯片CPU，即微處理器Intel 4004，集成了2300個晶體管，每秒能進行9萬次操作，這個處理器證明復雜的CPU可以裝在一個芯片上，使計算機更小、更便宜、更容易獲得，并使英特爾進入了如今占據主導地位的處理器市場，徹底革新了電子技術，開啟了微型計算機時代。

1975年，MITS公司推出了一款具有開創性的微型計算機，該計算機采用英特爾8080 CPU，8080處理器最初的運行時鐘頻率為2 MHz（1 MHz相當于每秒100萬次時鐘跳變，時鐘跳變并不等于相同次數的計算），常用指令的執行時間為4到11個時鐘周期，每秒可執行數十萬次指令。后來推出了兩個速度更快的變體，8080A-1和8080A-2，時鐘頻率分別提升至3.125 MHz和2.63 MHz。

這款電腦因其在《大眾電子》雜志封面上的亮相而名聲大噪，并由此引發了個人電腦革命。它以價格親民的套件形式出售，為微軟和蘋果的崛起奠定了基礎。

1977年，蘋果公司推出個人電腦Apple II，這一機型一直生產到1993年。該電腦使用8位處理器MOS Technology 6502，每秒可執行280,000條指令。

1980年代以后，集成電路芯片按照摩爾定律（每18個月芯片的性能提高一倍）的預測不斷更新換代。

2000年代出現了多核處理器和GPU，如AMD和Intel產品，支持并行處理。GPU（如NVIDIA）用于圖形和AI加速。IBM Roadrunner處理速度達到1 petaFLOP（每秒幾十萬億條指令），用于模擬。

2010至2020年代出現了量子和exascale計算。2019年，谷歌Sycamore實現量子霸權，解決特定問題比經典計算機更快。2022年出現的Frontier超級計算機性能達到1.1 exaFLOP（百億億級），用于氣候和基因模擬。新興硬件如AI芯片（TPU）和量子計算機進一步提升計算邊界，處理指數級復雜任務。

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機器算力實際上是對人類的一種解放，為科技發展走向縱深和數學應用的最大化提供了計算基礎，更高更快更強，但同時也限制了人腦計算能力的發展。

不過不必為此焦慮，因為人雖然短時間內算得慢但比計算機有自己的直覺和尋找解決問題途徑的優勢。二者相加，才是無敵的。就如現在的人工智能，盡管能搜羅萬象進行綜合推理，但是用它的人提不出有價值的問題，也是枉然。