科技周期探索之一：1955年之前：理论与发明的黄金岁月

图灵机将纯数学理论（例如递归函数和λ演算等）和物理世界联系了起来，冯诺依曼结构引入了二进制、存储单元与随机寻址，香农将布尔代 图灵回答了计算机“能不能做”的问题；冯·诺依曼则诠释了“如何做”的问题；香农揭示了信息的本质是降低不确定性，贡献是“如何做的更好”。 电子真空管到晶体管的发明，为现代电子行业开辟了新的一页。 二极管、三极管、放大器的发明，极大地促进了地面远距离传输的发展，使得电话机、收音机、电视机的功能性与实用性更加完善，普及率快速提升。此外，计算机的主频也从继电器的每秒几十次，大幅跃升至电子管的每秒几千次。 随着晶体管的问世，稳定性与耐用性又上升了一个台阶，小型化与低功耗成为了不可逆转的趋势。贝尔实验室的专利广泛授权，为后续的集成电路大发展拉开了序幕。 巨型机时代的探索：结构的确立与早期商业化的成功。 100多平方米的占地面积，上百吨的巨型机已经是遥远的过去式。但这段时期，从模拟机到数字机，从十进制到二进制，从简单结构到冯诺依曼结构，从单一程序到可编程，从特定用途到通用计算，从打孔卡到磁芯/硒鼓存储，从国家应用到商业应用，计算机带来的惊喜太多太多。 IBM的700与650系列，打开了计算机商业化的大门，并为后续的1401的成功埋下伏笔。 发展启示：国家投入与垄断企业主导的研发模式。 第一，人才战略至关重要，由于当时的移民政策，以及本土未受到两次大战影响而能够提供稳定的科研环境，美国吸引了大量来自全球的科学家，他们为后来信息业的发展做出了杰出贡献；第二，国家级的投入占到科研经费的60%以上，以及来自贝尔电话公司的垄断型企业的长期投入，为科研人员的理论创新提供了足够的支持，尤其是耐心；第三，数学在理论创新中发挥着巨大的作用，尤其是跨学科的应用，这在图灵、冯诺依曼、香农三位科学巨匠身上体现地淋漓尽致。最后，知识产权法（英国、美国、法国均在1800年前出台）为发明创新保驾护航。 风险提示：地缘政治的不确定性，海外降息幅度的不确定性，部分行业竞争格局的不确定性。 为什么研究科技周期？ 近100年里，从继电器到真空管，从晶体管再到大规模集成电路，科技的脚步一发而不停歇。20世纪60、70年代开始，这些科技发明被快速地产业化、规模化。 叠加资本的加持，数以百计的科技龙头公司迅速壮大，互联网，移动互联网，基因工程，材料工程，新能源.....它们在深刻地改变世界。 我们回顾科技的历史，目的大体上包括： 首先，我们期望通过回顾这些企业的发展历史，以揭示其成功背后的原因。同时试图在技术、产业、国家、资本等几个维度来横向观察，找到一些启发； 其次，科技这个话题过于浩瀚，因为任何领域、任何方向的进步，都可以纳入进来，但由于我们的能力非常有限，同时为了确保主线相对清晰，我们尽量选择“信息革命”这条主线展开，此间会提及其他方向，但不作为重点； 再次，我们也期望报告可以成为科技投资者、爱好者的工具参考，报告会以时间线将历史上较为重要的事件、节点标注出来，便于读者的查阅； 最后，报告的在回顾历史部分有科普的成份，但我们与读者一样，更关心的是：是否能够对未来做出某些启发式的预判，该预判的主要目的是指导投资。因此，我们会在梳理历史之后继续做一些专题讨论与总结，我们想试图回答：历史上科技的发展是否呈现了某些周期性特征？如果是，如何划分周期？如果划分了周期，如何对未来进行预测？ 由于篇幅原因，报告无法面面俱到，但权当做是对于中长期科技发展的浅显学习、理解、总结和探索的开端。 理论的突破：图灵、冯·诺依曼、香农 人口普查与制表机 从19世纪中叶开始，美国人口进入到了高速增长期，1880年人口突破了5000万。 但在没有计算机的背景下，搞清楚当时美国人口的具体情况并不是一件容易的事情。1880年人口普查历时近8年才完成，一切工作都需要手工，当时的数据校验、编制工作异常繁琐，这成为了困扰统计部门的大问题。 图1：19世纪至20世纪初美国人口变化 时间到了1890年，新一次的人口普查工作开始了。此时，美国人口已经增加至6300万，较1880年增加了26%。同时，所有受访者的普查信息科目又较1880年有了大比例的增加。因此，如果沿用原有的办法，预计完成该次人口普查的结果要超过10年时间——也就是说，在1900年新的人口普查到来之时，1890年人口普查的统计工作可能都还未结束！当时的美国德裔人赫尔曼·霍尔瑞斯（Herman Hollerith）是统计局的员工，他相信结合电力技术与打孔卡(punchedcard)技术，可以制造出一种能够更快统计人口的机器。 图2：霍尔瑞斯打孔卡 图3：用于1890年人口普查的霍尔瑞斯打孔机 受到了售票员利用在火车票不同位置打孔来记录旅行者的详细信息的启发，霍尔瑞斯使用了带有圆孔的12行*24列的打孔卡片。这些卡片的尺寸为3英寸宽，7英寸长。在制表机中，有一组装有弹簧的电线悬挂在读卡器上方，卡片放在水银池上，水银池与卡片上可能的洞位置相对应。当电线被压到卡片上时，打孔允许电线浸入水银池，形成闭合电路，它可用于计数、分类，并触发铃声让操作员知道卡片已被读取。 制表机有40个计数器，每个计数器都有一个分成100个刻度的刻度盘，有两个指针；一个随着每个计数脉冲前进一个单位，另一个随着前一个表盘每转一整圈前进一个单位，计数上限是9999。 图4：带分类箱的霍尔瑞斯1890年制表机 图5：美国人口调查局使用其制表机 霍尔瑞斯的制表机应用到1890年的人口普查之后，工作人员用打孔机在卡片上打孔，输入年龄、居住州、性别和其他信息。期间大约生产了1亿张卡片，而在整个操作过程中，卡片只通过机器四次。尽管后来在1900年，具备自动进卡功能的制表机才出现，但在1890年，这个手动进卡的制表机，其工作效率已然是人工效率的十倍！它不到3年就完成这次高难度的人口普查工作，受到了美国人口普查局的高度肯定。 1896年，霍尔瑞斯凭借技术优势成立了制表机公司。在那一年，他推出了霍尔瑞斯积分制表机，它可以将打孔卡片上的数字相加，而不仅仅是计算孔的数量。1900年，美国人口普查中使用了更为先进的霍尔瑞斯自动进纸制表机。之后，公司向全世界的人口统计局推销自己的产品，包括英格兰、意大利、德国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、法国、挪威、波多黎各、古巴和菲律宾都使用了其发明的制表机。1911年，包括霍勒瑞斯公司在内的四家公司（通过股票收购）合并为计算制表记录公司（CTR）。1924年，CTR更名为国际商业机器公司（IBM）。 此后IBM不断完善卡片技术，于1928年发明了一种80列打孔卡片，能更高效地完成巨量数据的记录和制表。到20世纪30年代，许多企业都使用打孔卡技术记录并保存程序，例如工资单和库存清单。一些需要应对大量数据的科学家，尤其是天文学家，也发现了这些卡片的好用之处——IBM的80列打孔卡成为了行业标准。 图6：信息量更大的80列打孔卡 打孔式制表机，是近代一个伟大的发明，它的意义是将电力与机械装置结合，“卡片”类似事先编写好的定制化程序，而制表机的读卡器则是识别这些程序的“处理器”。 但是把制表机看成“程序”，也有一些局限性：设想在搬运途中，厚厚的一堆卡片散落了，工作人员需要花费大量的时间去重新排序！那么，它能够电子化么？ 如何实现“无卡化”就变成了问题的关键，也是技术进步的方向。 当时，人们对计算机这个概念和现在理解是迥然不同的。在1892年5月2日“computer”一词首次出现在《纽约时报》上，美国公务员委员会的广告说：“需要一名computer。考试将包括代数、几何、三角学和天文学的科目。”可见，“computer”当时的意思是计算者，而非计算机。因此，虽然在人类的生产实践过程中，已经制造了以机器替代人工，大大提升劳动效率的制表机，但当时还没有人在理论层面解释：是否会出现计算机？它应该具备哪些功能？以及信息如何被处理？ 图灵提出了计算机原型 艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912-1954年）是英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父，1931年图灵进入剑桥大学国王学院，1936年他发表了重要的论文《论数字计算在决断难题中的应用》。 图7：图灵在1936年发表了《论数字计算在决断难题中的应用》 在论文的附录里他描述了一种可以辅助数学研究的机器，后来被人称为“图灵机”。 图灵机有三个组成部分：一条无穷长的纸带，上面有无穷多个格子，每个格子里可以写0或1；一个可以移动的读写头，每次可向当前指向的格子写入0或1；一个有限状态自动机，可以根据自身的状态，以及当前纸带上的格子是0还是1，指示读写头向左或向右移动一个格子，或向当前的格子写入内容。 图8：抽象的图灵机原型 图9：图灵机的一种实现 阿隆佐·邱奇（AlonzoChurch，1903–1995）是美国数学家，在普林斯顿大学执教了40年，“图灵机”的说法也源自邱奇，他1937年在为《符号逻辑杂志》撰写图灵论文的评论里首次用了图灵的名字。 就是这样一个简单得不能再简单的装置，被图灵证明和邱奇的λ演算是等价的，而λ演算又被证明和哥德尔的递归函数是等价的。邱奇-图灵论题（Church-Turing Thesis）的表述是： “所有功能足够强的计算装置的计算能力都等价于图灵机。” 图灵、邱奇、克里尼等人证明了当时所有数学家和逻辑学家想出的各种计算装置（例如递归函数、λ演算、Post系统、图灵机等）都可以互相模拟。 图灵机的伟大意义在于：有了它，我们就很容易把原来是纯逻辑或纯数学的公式（例如递归函数和λ演算等）和物理世界联系起来了——函数成了纸带和读写头。 如今的所有通用计算机都是图灵机的一种实现，两者的能力是等价的。当一个计算系统可以模拟任意图灵机时 ，这个系统被称之为“图灵完备”（Turing complete）；当一个图灵完备的系统可以被图灵机模拟时，即是“图灵等效”（Turing equivalent）。图灵完备和图灵等效成为衡量计算机和编程语言能力的基本标准，如今几乎所有的编程语言也都是图灵完备的，这意味着它们可以相互取代，一款语言能写出的程序用另一款也照样可以实现。 冯·诺依曼完善了结构 图灵在提出图灵机时，还定义了Universal Turing Machine，简称UTM，“通用图灵机”。通用图灵机的核心思想就是一个图灵机的执行过程也可被编码成数据，放到纸带上，这样一个图灵机就可以把被编码的图灵机指令读出来，一步一步地执行，从而模仿这个特定图灵机的行为。这样，这台能模仿其他图灵机的图灵机就成了通用图灵机。这可不是绕口令，现在的软件产业都得益于此：被编码的图灵机就是软件。后来冯·诺伊曼设计的计算机被人称为冯诺伊曼结构，其最核心的思想就是存储程序（Stored Program）。这个思想就是来自通用图灵机：被编码的图灵机就是存储的程序。 约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903-1957年），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家。正是因为他本人在数学上有深厚的基础，以及他曾师从希尔伯特的经历，后者被誉为“数学世界的亚历山大”，使得冯·诺依曼能够在图灵的启发下，提出了著名的“冯·诺依曼结构”（冯·诺依曼把计算机的所有原创思想的功劳都给了图灵）。 20世纪30年代中期，他大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还认为可以预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。 正如理论与实践就好比人类认识世界的两条腿一样，当霍尔瑞斯发明制表机时，他并没有受到图灵的启发，而是在实践中不断摸索以完善其功能；而1944年1月10日在布莱奇利园区开始运行的世界上第一台电子计算机ENIAC（关于其具体功能后面再介绍），并没有系统的考虑一个完善的计算机结构应该是怎样的。它存在两大缺点：一是没有存储器；而是它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也就被这一工作抵消了。 冯·诺依曼由于在曼哈顿工程