描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302499145丛书名: 中国高校创意创新创业教育系列丛书
本书主要围绕着网络、数据、计算、智能、安全5条主线介绍信息技术发展史上的趣事以及相关领域的核心技术，详细内容分为引领时代的浪潮、编码的奥秘、计算机硬件、软件、数据管理、互联网、信息安全、人工智能、物联网、大数据、云计算、信息的素养共12个专题，涉及计算机、软件工程、电子、通信、自动化等多个专业的入门知识。
希望通过本书，使读者能够系统地了解信息学科取得的辉煌成就以及IT产业的技术底蕴，初步接触到前沿的、富有挑战性的热点问题，培养敏锐的观察能力和发散的思维能力，激发深入探究、主动创新的科研热情。
目录
●第1章引领时代的浪潮1
1.1信息活动的意义2
1.2信息科学与技术4
1.3信息技术的革命6
1.3.1语言的突破7
1.3.2文字的诞生9
1.3.3印刷术的出现12
1.3.4电磁波的应用13
1.3.5计算机的发明15
1.4信息时代的到来17
参考文献19
●第2章编码的奥秘20
2.1计数有学问21
2.1.1掰指头数数21
2.1.2画线做记录23
2.2简约而不简单24
2.2.1伟大的发明25
2.2.2统一的框架27
2.3用电来计数29
2.3.1原始的模拟29
2.3.2开关的电路30
2.4神奇的二进制32
2.4.1运算法则32
2.4.2编码字符34
2.4.3度量信息37〖1〗IT文化——揭开信息技术的面纱〖1〗目录扩展阅读39
布莱叶盲文39
莫尔斯电码40
参考文献42
●第3章计算机硬件43
3.1元器件的进化44
3.1.1自动控制的开关44
3.1.2从继电器到晶体管47
3.1.3集成出来的奇迹49
3.2理论指导实践51
3.2.1抽象的模型51
3.2.2系统的结构54
3.3应用无处不在56
3.3.1超越科学计算57
3.3.2走进千家万户59
3.3.3颠覆传统行业61
3.4样式千姿百态64
扩展阅读67
计算机的那些“祖先”67
“硅谷”名字的由来69
参考文献71
●第4章软件72
4.1分门别类话软件73
4.2强大的操作系统76
4.2.1分身有术76
4.2.2管理得法82
4.3PC时代的主角87
4.3.1打造产业链87
4.3.2安迪比尔定律89
4.4软件工程的困境92
4.4.1软件危机92
4.4.2质量保证95
扩展阅读98
屡试不爽的“三板斧”98
业务扩展的背后推手100
参考文献102
●第5章数据管理103
5.1决策的依据104
5.1.1多算胜少算104
5.1.2数据的文化107
5.2科学的方法110
5.2.1站在前人的肩上110
5.2.2事实胜过雄辩113
5.2.3提高质量的法宝115
5.3管理的技术118
5.3.1数据的批量处理118
5.3.2数据库的基本思想122
5.3.3挖掘数据中的金矿126
扩展阅读128
IBM——数据处理的先行者128
Oracle——平淡无奇的传奇129
参考文献131
●第6章互联网132
6.1互联网的结构133
6.1.1连接的开始134
6.1.2规则的统一136
6.1.3分组的传递139
6.2互联网的服务143
6.2.1电子邮件和文件传输143
6.2.2万维网——互联网的“灵魂”145
6.2.3域名和域名服务149
6.2.4服务提供的方式152
6.3互联网的进化155
6.3.1互联网1.0时代156
6.3.2互联网2.0时代158
6.3.3互联网3.0时代162
扩展阅读165
思科的经营绝招165
互联网产业的规则167
参考文献168
●第7章信息安全169
7.1密码学基础170
7.1.1古典密码的技术170
7.1.2现代密码的思想174
7.1.3计算上的安全178
7.2完整性技术181
7.3身份认证184
7.3.1用户所知道的185
7.3.2用户所拥有的187
7.3.3用户生物特征190
7.4网络攻防192
7.4.1谁在攻击网络193
7.4.2计算机病毒196
7.4.3常见黑客技术199
7.4.4网络安全防御201
扩展阅读203
“一代名机”Enigma203
“世界头号黑客”凯文·米特尼克207
参考文献209
●第8章人工智能210
8.1智能的前世今生210
8.1.1古代的机械智能211
8.1.2人工智能的起源212
8.1.3人工智能的诞生214
8.2思维的探索研究215
8.2.1状态搜索与博弈216
8.2.2知识表示与推理219
8.2.3神经网络与学习223
8.3机器人的广泛应用227
8.3.1传统机器人227
8.3.2半机器人229
8.3.3智能机器人230
8.4智能时代的隐忧231
8.4.1“机器上岗”之利232
8.4.2“失业危机”之痛233
8.4.3“奇点临近”之惧236
扩展阅读238
谷歌公司的智能搜索238
自然语言处理难在何处？241
参考文献243
●第9章物联网244
9.1网络协议的变革245
9.2独一无二的标识248
9.2.1一维条形码248
9.2.2二维条形码250
9.2.3射频识别252
9.3时时刻刻的定位257
9.3.1卫星定位258
9.3.2基站定位260
9.3.3网络定位262
9.4全面感知的技术264
9.4.1感官的延伸264
9.4.2智能的终端266
9.5美好生活的憧憬268
9.5.1构建智能的家居269
9.5.2点亮智慧的地球273
扩展阅读277
生活在智慧城市的一天277
物理世界与信息世界的大融合278
参考文献280
●第10章大数据281
10.1大数据的产生283
10.1.1大数据的来源283
10.1.2大数据的特征286
10.2大数据的思维289
10.2.1全体数据的威力290
10.2.2观其大略的意识295
10.2.3预测未来的能力299
10.3大数据的应用307
10.3.1互联网与大数据308
10.3.2物联网与大数据311
10.4大数据的挑战314
10.4.1没有遗忘的时代315
10.4.2全息可见的困境318
扩展阅读321
情报整理——多维度的数据分析321
缉毒新招——大数据让你无所遁形322
参考文献324
●第11章云计算325
11.1云计算的先驱326
11.2云计算的概念328
11.2.1构建数据中心329
11.2.2租用网络资源331
11.2.3提供云端服务333
11.2.4云计算的本质335
11.3云计算的实现338
11.3.1核心技术问题339
11.3.2全社会的关注342
11.3.3经济上的考量343
11.4云计算的应用344
11.4.1人工智能的飞速发展345
11.4.2信息产业的重新布局347
11.4.3生产生活的全面影响350
扩展阅读354
“并行”不是那么简单354
节能省电各出奇招355
参考文献357
●第12章信息的素养358
12.1思维方式的转变359
12.1.1机械思维的贡献359
12.1.2不确定性的颠覆361
12.1.3新时代的方法论363
12.2信息时代的生活366
12.2.1拓展带宽的依据366
12.2.2学习观念的转变369
12.2.3数据主义的困局375
12.3信息时代的创业378
12.3.1挖掘“桶金”379
12.3.2站在“风口浪尖”381
12.3.3创新“商业模式”384
参考文献389
●附录A计算机的外部设备390
A.1海量存储器390
A.2输入设备392
A.3输出设备396
●附录BIT产业的那些定律398
B.1摩尔定律399
B.2安迪比尔定律399
B.3702010定律400
B.4诺威格定律402
B.5基因决定定律403
●附录C信息时代的科学基础405
C.1信息论405
C.2控制论406
C.3系统论407
●后记409
曹健2018年4月于北京工商大学〖1〗IT文化——揭开信息技术的面纱〖1〗前言
和人类历史上许多重大的突破一样，信息技术的领头羊——计算机的出现并不是短短几年间技术突破的结果，而是靠着上千年来无数代人长期的努力和技术的积累。在美国硅谷中心的山景城(Mountain View)有一座计算机博物馆，一进门，其中，中国的算盘为实用，其珠算口诀为智能。直到20世纪80年代，算盘还在社会生活中扮演着非常重要的角色。
关于这些发明背后的故事，有兴趣的读者可以看一看本章的扩展阅读——计算机的那些“祖先”。在显眼的位置放着一个大展牌，上面写着“计算机2000年的历史”，意思是说计算机的历史已经有2000年了。显然，计算机2000年历史的起始点是从类似算盘的计算工具开始的，只不过那是手工操作的计算机。到了近代，人们又在想办法使用机械代替人手拨算盘珠，这就导致了机械计算机的发明。其中，法国的布莱士·帕斯卡(Blaise Pascal)、德国的莱布尼茨和英国的查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)都曾经设计出了基于十进制的机械计算机，虽然实用性稍差了一些，但这些探索都是人类文明史上的宝贵财富。到了电气时代，人们自然就想到利用电能来发明一种新型实用的自动计算器。于是就像2.3节所述，无数先人历经波折，才确定了用基于二进制思想的开关电路来计数，从而发明了电子运算部件。但问题又来了，我们如何输入数据？总不能把手伸到到机器内部，一个一个地断开和闭合这些微小的开关吧？再者，我们如何让这些部件自己做运算？如果每一步的结果都需要人来记录，这能叫自动吗？还有，我们如何让它直接显示出结果来呢？这些都是和“硬件”相关的问题，不解决这些问题，电子计算机的发明和应用就无从谈起。〖1〗IT文化——揭开信息技术的面纱〖1〗第3章计算机硬件3.1元器件的进化输入数据可以对古代远距离通信有兴趣的读者可以看看詹姆斯·格雷克的《信息简史》一书第5章“地球的神经系统”。
丹麦物理学家奥斯特在1820年发表了题为《磁针电抗作用实验》的论文，向科学界公布了他关于电流磁效应的发现。随后，英国物理学家迈克尔·法拉第又发现了磁场也能产生电流，并于1831年确立了电磁感应的基本原理。看作一个信息传递的问题，也就是把外面的信息传递到电子器件的内部，这和我们一直尝试的远距离通信有很大的共通之处。而对于远距离通信，古人早已想到了比较直接的方法，就是雇佣一些人作为中转站，通过呼喊、挥动旗子或者快马送信，一个接一个地把信息从远处传递过来。技术上更为复杂一点的方法，就是使用烽火台或者使用带有机械臂的大型装置来代替人做挥旗的工作。不过，我们既然已经打算用“电”来计算，并已经用“电”来表示数字了，那么，我们还是继续用“电”来传递信息吧。这可不是我先想到的，第2章提到的莫尔斯发明的电报机，就具有这个功能。3.1.1自动控制的开关今天我们看来，电报机的原理很简单： 在线路的这一端采取一些措施，使线路的另一端发生某种变化。也就是说，我在线路的一段制造一个状态，线路的另一端就会呈现与之相对应的状态——信息的远距离传递就这样发生了！那用什么技术来把这个想法落地呢？这还要从中学物理课上的一个知识点——“电磁现象”说起。我们知道，当一根电线有电流通过时，就会在它的周围产生微弱的磁场。这种“电能生磁”的现象叫作电流的磁效应，它和“磁能生电”的现象一起，合称电磁现象。电流的磁效应吸引了很多发明家制作了各种各样的新鲜玩意儿，当然，它们大部分是电磁铁。如图3.1所示，如果你手头有一根铁棒，在上面用细导线绕上若干圈，然后在导线上接通电流，铁棒变成了一块磁铁(现在它就能吸引其他的铁块和钢块)；断开电流，铁棒的磁性就会消失。使用电磁铁的一个显而易见的好处是，当你把散落在地上的铁钉都吸到一起时，不用再费力地把它们摘下来放到钉盒里(通常这是令人非常烦恼的)，只需要断开电流就行了。据说在1831年，美国人约瑟夫·亨利(Joseph Henry)制作了一个体积并不是很大的电磁铁，能吸起重达1t的铁块。当然，如果他止步于此，那么电感单位也不会以他的姓氏“亨利”命名了。真正让他名垂青史的是他在电磁铁上更进一步的发明——继电器。继电器可以看成由上端和下端两套装置组成，如图3.2所示。在下端，是一个开关(通常称之为按键)，可以控制电流的通断，进而决定着一个电磁铁的状态——有磁性和无磁性。在电磁铁的上方，有一个长长铁片——衔铁臂安装在支架上，它可以上下自由活动。平时，也就是电磁铁没有通电产生磁力的时候，它被一根弹簧拉着，以免与电磁铁挨在一起。一旦下端的开关闭合，衔铁臂就会被电磁铁吸引从而接通上端的电路；当下端开关断开时，电磁铁失去磁性，衔铁臂又在弹簧的牵引下回到原来的位置，从而断开了上端的电路。图3.1电磁铁的原理图图3.2继电器的原理图
继电器初被莫尔斯用于发明电报机，主要解决了一个问题——长途电报的线路太长，电阻就会变大，这就导致电报线路的另一端电流过于微弱，没法有效地传递信息。如果在电报线路上设置一个一个基于继电器的中继站，那么从远端传来的电流就会驱动继电器的电磁铁拉动衔铁臂，衔铁臂同时又作为一个开关连接着电池和输出线路。通过这种方法，输入的比较弱的电流被“放大”成了较强的输出电流。就我们的目的而言，我们对继电器放大微弱电流的功能并不怎么关注(这是莫尔斯他们考虑的问题)。真正使我们着迷的是： 继电器可以通过电流把一端的信息传递到另一端——下端电路开关闭合的状态可以控制(影响)上端电路开关闭合的状态。而且，继电器是一种真正的通过电流控制而非人工控制的开关！为了方便起见，可以将继电器的原理图简化一下，如图3.3所示，利用接地的方式在这种情况下，大地仅代表一个公共端，并不是真正意义的物理接地。减少一些电线，用大写字母“V”(代表电压)来指代电池。左侧开关闭合，电流从V端流出，进过电磁铁芯流到大地上，产生磁效应，吸合金属簧片(即图3.2中的衔铁臂)，从而连通了右侧V、灯泡和地之间的电路，使灯泡发亮。实际上，灯泡可以采用两种方式连接到继电器上。注意，弹性金属簧片是被电磁铁拉下来的。平时，金属簧片与上端触点相接触，当电磁铁拉动它时，它就会与下端触点相接触。我们之前一直把金属簧片与下方触点接触作为继电器的输出，而其实也可以把它与上方触点相接触作为输出。如图3.4所示，这时，继电器的输出恰好相反，当输入开关断开的时候灯泡发光，当输入开关闭合的时候灯泡熄灭。用开关术语来说，这种继电器叫作双掷继电器。它拥有两个输出，但这两个输出在电的极性上是对立的——当一端有电压时，另一端就没有电压。图3.3继电器的精简原理图来源： 《编码： 隐匿在计算机软硬件背后的语言》图3.4继电器的另一种输出方式来源： 《编码： 隐匿在计算机软硬件背后的语言》
两个继电器可以采用串联或并联的方式组合起来使用，如图3.5所示。左图是继电器的串联，只有两个继电器都被触发(开关闭合)的时候灯泡才会亮。如果仅仅触发了上面一个继电器，灯泡依然是熄灭的。右图是继电器的并联，只要有一个继电器被触发(开关闭合)，就能点亮灯泡。图3.5继电器的串联与并联来源： 《编码： 隐匿在计算机软硬件背后的语言》对“离散数学”比较了解的同学，这时候可能已经意识到了，图3.4和图3.5所描绘的就是布尔代数关于布尔代数的内容，在8.2.2节介绍。感兴趣的读者还可以读一下查尔斯·佩措尔德的《编码： 隐匿在计算机软硬件背后的语言》，该书中有更为详细的论述。中的“非”“与”“或”。早发现这一点的是信息论的创始人香农。1938年，他在其硕士论文《继电器与开关电路的符号分析》中就把布尔代数、开关电路和继电器联系到了一起，奠定了数字电路的理论基础。后来，哈佛大学的哈沃德·加德纳(Howard Gardner)教授称赞道： “这可能是本世纪重要、著名的一篇硕士论文。”3.1.2从继电器到晶体管有了继电器和数字电路的理论，人类就开始尝试发明用电驱动的自动计算机。霍华德·艾肯(Howard Aiken)领导了哈佛大学的一个团队，在IBM公司的资助下，于1944年建成了称为“马克Ⅰ”(ASCC Mark Ⅰ)的自动顺序控制
与bug相对应，人们将发现bug并加以纠正的过程叫作debug(中文称作“调试”)，意即“捉虫子”或“杀虫子”。
ENIAC的全称是Electronic Numerical Integrator And Calculator(电子数字积分器与计算机)，很多文献声称它是台电子计算机，其实它是第二台。世界上台电子计算机应该是阿塔纳索夫贝瑞计算机(AtanasoffBerry Computer, ABC)。计算机。由于“马克Ⅰ”大量地使用了继电器作为其核心部件，我们将之归为电动机械计算机，以区别于真正的电子计算机。从实用上讲，继电器并不是制造计算机的理想器件。因为它是机械的，工作时需弯曲一个金属簧片，如果超负荷工作，簧片就会折断，如果有一小片污垢或纸片粘在触点之间，继电器也会失效。一个著名的事件发生在1947年，正在运行中的“马克Ⅱ”(Mark Ⅱ)计算机出了故障，终发现是因为一只蛾子飞入了一个继电器里面，导致该继电器失效。小组成员格蕾丝·赫柏(Grace Hopper)用胶条把这只蛾子贴到了计算机日志中，并记录道“这是发现的只虫子(This is the first actual bug found)。”从此，用“bug”来表示“一个在计算机程序里的错误”成为计算机领域里的一个习惯说法。图3.6展示的是改良过的继电器，它们已经被很好地封装了起来，以避免灰尘等物体的干扰。电子管(也叫真空管，vacuum tube)是一种可以替代继电器的元件，如图3.7所示，它是由约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming)和李·德·弗雷斯特(Lee de Forest)在进行无线电通信连接研究时开发出来的，一开始就被广泛应用于放大电话信号。电子管同样可以实现开关电路的自动控制，这一点很像继电器，但它改变状态(开关闭合或断开)的速度是继电器的1000倍——每10-6s(即1μs)就可以跳变一次。图3.6继电器示例图3.7电子管示例
到了20世纪40年代，人们已经开始尝试用电子管来替换继电器，从而将计算机“电子化”。其中著名的一台计算机就是ENIAC，它是宾夕法尼亚大学的约翰·莫奇利(John Mauchly)博士和他的学生普莱斯佩·埃克特(Presper Eckert)受美国陆军之托而设计的。ENIAC的建造在1945年底基本完成，它使用了接近18 000个真空管，每秒执行5000次加法运算或400次乘法运算，是继电器计算机的1000倍，是手工计算的20万倍。电子管的使用让计算机真正进入了电子时代，并极大提升了其计算效率。然而，真空管同样存在自身的问题，且不说价格昂贵、耗电量大、预热时间长以及产生的热量太多，更麻烦的问题在于电子管容易被烧毁，也就是它的寿命较短。那个年代，有收音机的人习惯于定期更换电子管，电话系统也设计成有许多冗余的电子管(这样一来，烧掉一些电子管一个电子管收音机一般使用五六个电子管，这些电子管的输出功率加在一起只有1W左右，却要耗电40～50W，其他电能都转化成热能浪费了。打开电源开关，要等待一两分钟，基于电子管的电器才能工作。
硅是极为常见的一种元素，以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、沙砾、尘土中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中，它是第二丰富的元素，占地壳总质量的26.4%，仅次于氧(49.4%)。还能运转)。然而计算机拥有数量巨大的真空管，按照统计学来分析，每隔几分钟就会烧坏一个，不仅造成了计算机的短命，而且机器的维护需要耗费大量的人力、物力和时间。计算机的普及需要一种比电子管更加便宜、耐用又省电的电子元器件。而1947年，贝尔实验室的一项发明——晶体管终于解决了这个问题，它的发明者是威廉·肖克利(William Bradford Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Houser Brattain)。晶体管被人们称为20世纪重要的发明之一，它的3位发明者也共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。20世纪六七十年代，半导体收音机是许多中国家庭的主要信息设备，它的名字的由来就是因为其中的晶体管是用半导体材料(锗元素、硅元素以及一些化合物)制成的。半导体可以掺入一些杂质，即与某些杂质组合，一种类型的杂质称作N型(N表示negative)半导体，另一种类型的杂质被称作P型(P表示positive)半导体。如图3.8所示，把一个P型半导体夹在两个N型半导体之间，可以使之成为一个放大器。这就是著名的NPN晶体管，其3部分分别为集电极、基极和发射极。在基极施加微小的电压，就可以控制非常大的电压从集电极到发射极，如果在基极没有施加电压，那么晶体管将不起作用。如图3.9所示，晶体管通常封装在直径为1/4in(6.35mm)的小金属罐中，并伸出3根金属线。可以说，晶体管开创了固态电子器件的时代，即不再需要真空，而是使用固体制造，尤其是使用当今为常见的硅元素来制造。晶体管的体积比电子管更小，需要的电量更少，产生的热量更少，而且持久耐用。图3.8NPN晶体管原理示意图图3.9晶体管示例
使用继电器构造数字电路以及其他部件的方法对晶体管同样有效。事实上，继电器、电子管和晶体管初都是为了开发放大器设计的，但它们先后都被用到了数字电路中，并成为计算机的重要组成部件，这不得不说是“无心插柳柳成荫”。3.1.3集成出来的奇迹为了把更多的晶体管、导线及其他器件高效地连接起来，德州仪器公司的杰克·基尔比(Jack Kilby)和仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)分别独立设计出了集成电路。在集成电路中，所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。为了对“集成电路”有更加形象的认识，我们就打个比方吧： 过去的晶体管、导线及其他器件可以看成乡村里面独立的一间间平房、一条条通路和其他配套设施，现在的集成电路相当于整个一座楼房，它把成百上千的居住单元、消防通道、排污设施等集成到了一起，也许整体占地只有百十平方米，却具有了原来占地上万平方米的居住区的功能！在生活中，常常把集成电路称作微电路、微芯片或者芯片。一个纽扣大小的集成电路芯片内部很可能就集成了成千上万个晶体管，虽然生产工序复杂，研发费用较高，但其收益来源于规模经济效益——生产得越多，就越便宜。集成电路本身是比较轻薄易碎的，所以必须被安全地封装起来，这样不仅可以起到保护作用，还可以为芯片之间的连接提供便利。如图3.10所示，左图的这些芯片每个都有多个管脚，可以插入右图的面包板集成电路(Integrated Circuit，IC)采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
晶体管行业(半导体行业)堪称人类历高产的行业。2002年，人类生产的晶体管数量大概是大米颗粒的40倍，买1粒米的钱可以购买100个晶体管；2009年，晶体管的产量上升到大米颗粒的2500倍，买1粒米的钱可以购买10万个晶体管。中，通过导线组合成更加复杂的电子器件。图3.10芯片(左)和面包板(右)示例集成电路的发展大体经过了以下几个阶段(根据集成度高低的不同)： 小规模集成电路(Small Scale Integrated Circuits，SSIC)、中规模集成电路(Medium Scale Integrated Circuits，MSIC)、大规模集成电路(Large Scale Integrated Circuits，LSIC)、超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated Circuits，VLSIC)、特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated Circuits，ULSIC)和极大规模集成电路(Giga Scale Integration Circuits，GSIC)。从一开始几个晶体管单元的集成，到后来千万个晶体管汇集到一个小小的芯片上，这种发展速度远远超出了我们一般人的想象。现实中，总是有牛人能够在事情发生之前就给出比较准确的预言，能够在其他人无所适从的时候果断指出正确的方向。显然，英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)博士就是这类先知先觉的人。早在1965年，他就发现从1959年以后的集成电路发展有这样一种趋势： 同一面积芯片上可容纳的晶体管数量一到两年将增加一倍1965年4月19日，《电子学杂志》(Electronics Magazine)发表了摩尔的文章《让集成电路填满更多的组件》，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，改为“每两年增加一倍”。普遍流行的说法是“每18个月增加一倍”，但摩尔否认他曾经这么说过。
需要注意的是，纵坐标从2300到10 000再到100 000，其实不成比例，如果严格按比例作图，这将是一条非常陡峭的曲线，页面将无法容纳。。如图3.11所示，纵坐标为晶体管数量，横坐标为年份。该曲线表明，在1971—2011年，大概每两年相同面积的中央处理器集成电路上的晶体管数量就增加一倍。后来，大家又把这个周期调整为18个月，这也意味着每18个月IT产品的性能会翻一番，或者说相同性能的IT产品每18个月价钱会降低一半。图3.111971—2011年中央处理器上的晶体管数量(来源： 维基百科)摩尔定律(Moores Law)发展到今天，一根头发尖大小的地方就能放上万个晶体管。在2010年前后，一部手提电脑大概有400亿个晶体管，一部智能手机约有10亿个晶体管。当然，晶体管不可能无限缩小，所以十几年来，业界一直围绕着以下问题展开激烈讨论： 摩尔定律所揭示的现象还会不会持续？如果会，又能持续多久？2003年，摩尔也被问到了这些问题，他的回答是： “创新无止境，下一个10年摩尔定律可能还将有效。”事实证明，摩尔是对的。2011年，英特尔公司宣布发明了22nm的3D(三维)晶体管，这使争论暂时画上了句号。此前的晶体管为31nm，22nm的晶体管小了大约29％。随后，出现的下一代晶体管是14nm的尺寸，这又比22nm缩小了36％。主导IT行业发展的摩尔定律摩尔定律已经成为描述一切呈指数级增长的事物的代名词，它给人类社会带来的影响非常深远。在IT产业中，无论是晶体管数量、计算速度、网络速度、存储容量还是相应的价格，都遵循着摩尔定律。世界经济的前五大行业，即金融、IT、医疗制药、能源和日用消费品，只有IT一个行业可以以持续翻番的速度连续翻番的事情一旦发生是很可怕的。我们知道古代印度那个在棋盘上放入麦粒的故事，只要后一个格子里的麦粒比前一个翻一番，仅仅几十次，数量就增长了万亿倍甚至更多。进步。一方面，摩尔定律使得硬件价格大幅下降，功能日益强大，设备体积越来越小。原来“高大上”的产品，如激光打印机、服务器、智能手机，已经逐渐从科研机构、大型企业进入了普通家庭。另一方面，摩尔定律也为信息产业的发展节奏设定了基本步调——如果一个IT企业今天和18个月前卖掉同样多的相同产品，它的营业额就要降一半(同样的劳动，只得到以前一半的收入)。所以，各个公司的研发必须针对多年后的市场进行技术创新，还必须在较短时间内开发出下一代产品，追赶上摩尔定律规定的更新速度。3.2理论指导实践从电动机械计算机(继电器开关计算机)到电子计算机绝不是一个元器件的改变，而是在计算理论和信息技术上的一次飞跃，这就如同和机枪火炮之间的区别。以ENIAC为代表的批电子计算机之所以能成为计算机发展史上的里程碑，是因为它们的设计不是只根据以往的实践经验，而是有明确的基础理论做指导。这个理论主要来自英国数学家阿兰·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing)的“图灵机”(Turing Machine)模型。在ENIAC制造进程过半的时候，另外一位科学家约翰·冯·诺依曼(John von Neumann)也加入进来，他又为现代通用计算机的系统结构奠定了扎实的理论基础。3.2.1抽象的模型图灵是一位天才，在短暂的42年生涯中，他成就非凡。在数学家眼里，他解决了困扰数学界30年之久的希尔伯特“可计算性与判定问题”；在密码学家和历史学家眼里，他破译了纳粹德军的密码，从而缩短了第二次世界大战的苦难历程对图灵的生平有兴趣的读者可以欣赏一下电影《模仿游戏》(The Imitation Game)，这部影片根据安德鲁·霍奇斯所写的传记《阿兰·图灵传》改编而成，获得了2015年第87届奥斯卡金像奖改编剧本奖，以及包括影片、导演、男主角、女配角在内的7项提名。
1936年，图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为《论数字计算在决断难题中的应用》。在这篇开创性的论文中，图灵给“可计算性”下了一个严格的数学定义，并提出著名的“图灵机”的设想。
；在工程师眼里，他开启了数字时代和人工智能；在生物学家眼里，他对形态发生学做出了贡献；物理学家则铭记他在非线性力学方面的发现；哲学家也反复思考他关于理性与直觉边界的俏皮话： “如果希望机器万无一失，那么它不能同时智能化。”2012年被宣布为“图灵年”，全世界约50个国家和组织举行了各式活动纪念图灵，英国甚至为他发行了特别版邮票。6月23日，当百度首页显示端午赛龙舟动画之际，谷歌(Google)首页的涂鸦显示的则是一条被分成很多小格的纸带，用户可以用鼠标操作模拟修改格子里的数值0和1，如图3.12所示。如果不是右上角的标注“阿兰·图灵诞辰一百周年”，很多人都不知道这纪念的是什么。图3.12谷歌首页的“图灵机”涂鸦谷歌在其首页显示的便是图灵提出的抽象计算模型——图灵机。正因为这个伟大的创意，图灵被誉为“计算机科学之父”。图灵仔细思考了人类用纸笔进行数学运算的过程，并把这样的过程做了抽象，归结为两种简单的动作： (1) 在纸上写上或擦除某个符号。(2) 把注意力从纸上的一个位置移动到另一个位置。而在每个阶段，人要决定下一步的动作时，要依赖于两点： (1) 此人当前所关注的纸上的某个位置的符号。(2) 此人当前思维的状态。为了进一步模拟人的这种运算过程，图灵构造出了一台假想的机器——图灵机，该机器由以下4个部分组成： (1) 一条无限长的纸带。就像图3.12中 Google标志的下方一样，纸带被划分为一个接一个的小格子。纸带上的格子从左到右依次被编号为0，1，2，…，右端无限延伸，这和人计算数学题用的纸张类似。(2) 一个读写头。就像图3.12中套住纸带上后一个0的框(可以想象成铅笔)，它可以在纸带上左右移动，停在哪里就可以读出当前所指的格子上的符号，也可以改变当前格子上的符号(相当于人算题时的读写动作)。(3) 一个控制规则表。图灵机根据当前机器所处的状态和读写头所指的格子上的符号，在查表后，就知道下一步该做什么。当然，按照表上的规则操作之后，图灵机就进入一个新的状态。这张表就相当于老师教的计算方法或者算盘的拨打口诀。(4) 一个状态寄存器。用来记录图灵机当前所处的状态，寄存器里的内容相当于人算题时的中间结果。图灵认为这台理想的设备能够模拟人类所能进行的任何计算过程。事实上，在二战期间对抗德国著名密码系统Enigma(恩尼格玛)的过程中，图灵机就巧妙地模拟出了原本非常复杂的计算方法，从理论上指导了密码分析的实体机Bombe(炸弹)由于在破解德国密码系统过程中的杰出贡献，图灵于1946年获得不列颠帝国勋章，详见第7章的扩展阅读——“一代名机”Enigma。的建造。总之，图灵机并不是某一款具体的机器，而是对计算机的一种数学描述。它对计算机能做什么进行了界定，并提出了如何自动计算的一套理论。为了说清楚这一点，吴军博士用汽车来打比方，非常形象： 虽然在街上跑的汽车多种多样，但是它们都有一些共性，例如能在陆地上移动，不需要人或牲畜作动力，能够运载人或货物，能够转弯、启动和停止。于是，我们把满足这些条件的交通工具都概括成一种虚拟的汽车，如叫“约翰汽车”，以后发明的实体汽车都是在“约翰汽车”的理论指导和约束之下实现的。从这个角度来讲，图灵机也就是这样一个虚拟的计算机。图灵奖图灵奖是美国计算机协会(ACM)于1966年设立的，专门奖励对计算机科学研究与推动计算机技术发展有卓越贡献的杰出科学家。图灵奖是计算机界负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。奖金通常由计算机界的一些大企业提供(通过与ACM签订协议)，目前由英特尔公司和谷歌公司赞助，数额高达100万美元。图灵奖对获奖者的要求极高，评奖程序也极严，一般每年只奖励一名计算机科学家，只有极少数年度有两名以上在同一姚期智(Andrew ChiChih Yao)，祖籍湖北省孝感市孝昌县，世界著名计算机学家，中国科学院院士，美国科学院院士，美国科学与艺术学院院士，清华大学高等研究中心教授，香港中文大学博文讲座教授。方向上做出贡献的科学家同时获奖。每年，美国计算机协会将要求提名人推荐本年度的图灵奖候选人，并附加一份200～500字的文章，说明被提名者为什么应获此奖。美国计算机协会组织评选委员会对被提名者进行严格的评审，并终确定当年的获奖者。虽然任何人都可以成为候选人，但美国学者的获奖数量依然高居榜首。迄今为止，获此殊荣的华人仅有一位，他是2000年图灵奖得主姚期智。3.2.2系统的结构根据图灵机理论的指导并采用电子管搭建的ENIAC，一经投入使用，就极大地加快了美国氢弹研制的步伐。不过，因为ENIAC是美国陆军弹道设计局定制的任务——计算火炮的弹道，所以它是一个专用的计算机，只能计算这一类问题，并不能像今天的计算机一样完成各种不同的任务。莫奇1944年，正在洛斯阿拉莫斯实验室研制氢弹的冯·诺依曼听说莫奇利和埃克特正在研制计算机，冯·诺依曼自己也需要解决大量计算的问题，于是他就加入了这个研究团队。利和埃克特在研发过程中意识到了这一点，而且由于ENIAC本身有一些设计缺陷，他们想尽快着手研制另一台计算机，以便改进。有着同样想法的还有一个人，那就是在ENIAC项目启动一年后参与进来的科学家冯·诺依曼。1945年，他们在共同讨论的基础上，提出了一种全新的设计方案——EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机)，基本上解决了计算机通用性的问题。在此过程中，冯·诺依曼显示出他雄厚的理论基础，充分发挥了他的顾问作用以及探索问题和综合分析的能力。所以，这个方案一般被称为“冯·诺依曼系统结构”。阐述EDVAC设计方案的报告First Draft of a Report on the EDVAC长达101页，即计算机史上著名的“101页报告”。它的核心思想有两点： 一是采用二进制编码，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化；二是存储程序的概念，程序也被当作数据存进了机器内部，以便计算机能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。针对第二点的具体实现，报告还明确指出了新型计算机由5部分组成，即运算器、控制器(逻辑控制装置)、存储器、输入设备和输出设备，并描述了这5部分的逻辑关系，如图3.13所示。图3.13冯·诺依曼系统结构(用实线和虚线区分数据流和控制流)如果将图灵机看作一种对计算机的抽象描述，那么冯·诺依曼系统结构就是对这种抽象描述的一种可行而有效的设计方案。还是以汽车作例子吧，前面提到的“约翰汽车”只是从理论上说明了汽车的功能、特性和限制，并没有告诉我们怎样才能做出来一辆真实的汽车。我们需要有人(假设名叫戴维)给出汽车的各个组成部分，比如，汽车有3个以上轮子，有发动机，有方向盘，有座椅，有刹车装置，等等。这个“戴维系统结构”就是“约翰汽车”的一种具体可实现的设计。可以说，今天主流的计算机，无论大小快慢，都是采用冯·诺依曼系统结构来实现一个图灵机，所以也称冯·诺依曼机。也正是从冯·诺依曼系统结构开始，计算机科学也慢慢地演变为硬件(计算机本身)和软件(控制计算机的程序)两部分。为了表彰冯·诺依曼对计算机的杰出贡献，人们称这位美籍匈牙利裔科学家为“现代计算机之父”。值得阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)，犹太裔物理学家。他创立了相对论，并对量子论的发展做出了重要贡献，被公认为是继牛顿以来伟大的物理学家。一提的是，冯·诺依曼被认为是20世纪和阿尔伯特·爱因斯坦齐名的天才(据说他的心算速度从来不输于使用机械计算机的同事们)。和图灵一样，除了计算机，他在其他七八个领域都对世界做出了巨大的贡献： 发明博弈论，发明线性规划，建立数理统计的理论基础，完善测度理论、格理论和集合论，提出量子逻辑和量子机，提出冯·诺依曼代数，发明连续几何学，担任美国原子能计划及氢弹工程的主要负责人……谁 的 发 明将某项发明的荣誉授予个人总是备受争议。人们将白炽灯的发明归功于托马斯·爱迪生，但是其他研究者也曾研制了类似的灯泡，从某种意义上说，爱迪生只是比较幸运地获得了专利。人们认为是莱特兄弟发明了飞机，但他们曾与其他人竞争并受益于其他人的研究，在某种程度上，他们又被达·芬奇抢先了，这位全才早在15世纪就有了玩玩飞行机器的想法，不过达·芬奇的设计看起来也是借鉴前人的思想。当然，对于这些发明，被认定的发明人的杰出贡献基本上是毋庸置疑的。但对于一些情况看，历史上的荣誉授予似乎值得商榷，例如冯·诺依曼系统结构。毕竟，阐述EDVAC设计方案的报告First Draft of a Report on the EDVAC是由冯·诺依曼、莫奇利和埃克特共同起草的，后两人很可能在实践中更早地提出了存储程序概念。不过，当他们将报告提交给军方时，负责人随手写上了冯·诺依曼的名字。之后的1946年，冯·诺依曼为普林斯顿大学高级研究所研制IAS计算机时，在EDVAC方案的基础上又提出了一个更加完善的设计报告《电子计算机逻辑设计初探》。这两份既有理论又有具体设计的文件在全世界掀起了一股“计算机热”，因此计算机界选择了冯·诺依曼作为这种现代计算机体系结构的发明人。随着集成电路的发展和实际应用的需要，人们在冯·诺依曼系统结构上做了一些局部调整和扩展，这在个人计算机上尤其明显(如图3.14所示)： 图3.14改进的计算机系统结构图(1) 把运算器、控制器以内存和磁盘为例，两者的随机访问速度相差 1 000 000倍，但如果是顺序访问的话大约为7倍(数据来源： 谷歌工程师Jeff Dean 关于分布式系统的PPT文档)。
这里采用的是“计算机组成原理”课程的经典说法。还有一种观点是： I/O设备主要归入外部设备，其他所有放置于主板上的计算机硬件构成了“主机”。和寄存器、时钟集成并封装起来，构成了中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。一个CPU内部会有20～100个寄存器，负责存放CPU正在操控的数据。它们的速度比普通存储器要快得多，和运算器在一个级别上。时钟负责发出CPU开始计时的时钟信号。(2) 存储器被分成了主存储器(main memory，也称内存储器)和海量存储器(mass storage，也称外存储器)。两者的数据读写速度相差很大，情况下前者是后者的上百万倍。海量存储器中的数据必须加载到主存储器中，才能够被CPU访问。(3) CPU、主存储器、外存储器、输入设备和输出设备都安装在计算机主电路板上(motherboard，又称主板)，它们之间通过总线(bus)进行数据传输。如果把主板比作一座城市，那么CPU等部件就是核心建筑，总线就像是城市里的公共汽车。(4) 我们把输入设备和输出设备合称输入输出设备(Input/Output Device，简称I/O设备)。I/O设备和外存储器都归类于外部设备(简称“外设”)，而CPU和主存储器构成了主机。3.3应用无处不在早期计算机的研制都是国家行为，可以说是不计成本的，虽然也有私人企业参与部分项目，但没有经营风险(资金由国家拨给，责任由国家承担)。例如，ENIAC仅仅硬件成本就高达50万美元，如果考虑当时的购买力，相当于现在的几千万美元，这还没有考虑到莫奇利和埃克特研究团队的薪水。造价如此昂贵的设备，也只能给财大气粗且优先级高的国防项目使用，普通人肯定是无法触及的。回顾二战前后，类似这种靠国家大量投入、政府牵头的科技成果还有很多，例如航天技术、雷达技术、磁悬浮技术等。长期以来，它们大都依靠政府的扶持，远离民用，对整个社会的经济生活影响不大。显然，计算机的发展不是这样，它从20世纪50年代开始，就逐步减少了对政府支持的依赖，按照市场规律飞速发展，成为对人类文明影响的发明之一。3.3.1超越科学计算1946年2月14日，ENAIC正式运行成功，它的建造者莫奇利和埃克特显然看到了这种神奇机器的商机，于是想把它商业化。不过，宾夕法尼亚大学认为ENIAC属于职务发明，要求两人立即把ENIAC专利交还给大学。双方闹翻了，莫奇利和埃克特一气之下向校方递交了辞呈。1947年，他们成立了世界上家计算机公司——埃克特莫奇利公司(EckertMauchly Computer Corporation)，莫奇利任董事长，埃克特担任副董事长兼技术总监。该公司研制出了两台产品： 一台是供美国统计局和军方定制的计算机UNIVAC(图3.15技术人员在操作UNIVAC起初叫EDVAC Ⅱ)，如图3.15所示；另一台是一家飞机制造公司订购的相同类型的计算机BINAC(二进制自动计算机)。或许过去做惯了科研攻关项目，从不考虑钱的问题，这两台机器的预算费用与实际花销之间出现了巨大差额——亏损竟高达20多万美元！莫奇利和埃克特实在支撑不下去，他们的公司不得不宣告破产，UNIVAC的产品线几经转优利公司至今依然是电脑业界著名厂商，以大型主机、服务器制造和系统集成为主要业务。在因特网Unisys主页上，该公司仍自豪地将莫奇利埃克特电脑公司列在自己的历史之中，以此充当绝妙的广告词。手后成了优利(Unisys)公司的一部分。从世界上家计算机公司的经历可以看出： 创业并非易事，不是有了好的创意和技术就一定能够成功的，还需要有足够的商业头脑和管理经验，以及同时处理各项杂事的并行能力，这些往往是刚从科研院所和大学校园出来的科技人员为欠缺的。鉴于此，硅谷的创投公司都会聚集一些有经验的创业者、法律财务专家和管理层的资深人士，对旗下的小公司进行全方位的辅导，以保证新生企业的成活率和回报率。现在，国内外的产业孵化园、创新工场等平台都对早期创业者需求的资金、商业、技术、市场、人力、法律、培训等提供一揽子服务，帮助创业公司顺利启动和快速成长。这样，创业者们只要做好两件事即可： 一是想出真正创新的点子，并拥有过硬的技术；二是以快的速度实现它。显然，在莫奇利和埃克特所处的时代，创业大环境并没有这么优越。但作为科学家和工程师的榜样，莫奇利和埃克特个“吃螃蟹”的胆略依然激励着IT业界的后来者。从商业思维的角度看，埃克特莫奇利公司的失败有其必然性——它的产品只是用来计算而已，并没有开展日常办公和商业活动方面的业务。于是，历史的使命就落到了另外一个公司——IBM公司(International Business Machines Corporation，国际商业机器公司)的身上。由于当时计算机商业化水平不高，美国军方和政府部门要使用计算机都得自己定制，这样既费时间又费钱，所以就产生了这样一种需求——由一家公司来研制和生产大家都用得起的计算机。IBM公司恰恰抓住了这个机会，赶上了这一波浪潮。1954年，IBM公司为空军研发了一种项目代号为SAGESAGE的全称是SemiAutomatic Ground Environment，意思是“半自动地面环境”。的计算机(图3.16)，用于整个北美地区的防空指挥。这场投入了全公司20%人力的豪赌为IBM公司带来了丰厚的回报——100亿美元，这不仅占了当时IBM公司计算机销售额的80%，而且帮助IBM公司确立了在计算机行业的霸主地位。SAGE是真正意义的商品，软硬件设备齐全，一般的操作人员经过学习和培训后就可以使用，而且用途也从单纯的科学计算扩展到了军事指挥。可以说，SAGE的出现是计算机走向商业应用的关键一步。图3.16IBM公司为北美防空系统研发的SAGE系统IBM公司的成功绝不是仅仅建立在抓住历史机遇这一点上，更重要的是它发明了以服务为核心的IT商业模式。在20世纪60年代，各行各业刚刚接触到计算机这种先进设备，对它既不熟悉，也不大会使用。于是IBM公司每进入一个新的行业，就先和行业里比较大的公司合作开发行业软件，然后再向全行业推广。为了确保这些客户能把计算机和软件用好，IBM公司会提供技术支持和维护服务(派人去客户那里)，每年向客户收取一些服务费。在IBM公司的“辅导”下，计算机被推广到了一个又一个行业中： 1959年进入银行业，1963年进入汽车工业，1964年进入航空业……信息技术，尤其是计算机的出现，让商业竞争进入全方位、白热化的阶段。在20世纪六七十年代的表现就是，当一个行业中有一家企业开始使用计算机后，其他企业为了竞争就不得不跟进。例如，1964年，美国航空公司率先采用IBM公司研制的计算机订票系统，成为全球首家计算机化的航空公司。在该系统运行初期，一些人还担心这会增加运营成本，但一年后就再没有人提出类似问题了。所有航空公司都不得不采用计算机订票，如果不这么做，它们将无法和美国航空公司竞争人工订票的流程是： 各地订票员接到客户电话后，给客户预留一段时间，然后在航班的座位表上填写客户的信息，各个订票点之间再频繁地通过电话同步。这种方法很不方便，无法及时处理冲突。采用计算机订票系统后，各个订票点都通过电话线连接到IBM的大型计算机上，由计算机统一处理，延迟和冲突的问题就得到了根本解决。。计算机不仅优化了航空公司的售票业务，还及时地为航空公司和旅客提供世界各地机场和航班的信息，这些是以往人工订票业务无法比拟的。就这样，电子计算机大约用了30年时间完成了一系列转变： 从军用到商用，从不计成本的科研定制到企业学校都能购置，从只有专家才会经常使用的计算仪器到一般工作人员都能操作的办公设备。在这个过程中，科学家和工程师的贡献不容置疑，但以IBM公司为代表的企业也功不可没。从这里我们可以看到，技术和商业一旦成功结合起来，对人类社会将会产生多么巨大的影响。3.3.2走进千家万户20世纪六七十年代的商用计算机价格不菲。且不说IBM公司的商用高端机，就算是DEC和惠普制造的低端机，售价动辄以十万计，这显然不是普通家庭能够承担得起的。抛开价格因素，当时的小的计算机也和现在的冰箱不相上下，就算有人免费送你这么一个大家伙，你家里都没地方放，何况它耗电量很大，对个人也没啥用处。当然，市场调控中有一只“看不见的手”——价值规律，前面讲过的摩尔定律就是在IT领域里引领信息技术不断发展的那只手。随着各种半导体设备的性能指标不断翻番，或者说相同性能的信息产品价钱不断折半，一定会出现一个拐点——计算机便宜到个人能够消费得起。这时候，计算机的影响力就不再局限于某些行业了，而是扩大到社会生活的方方面面，开始改变整个世界。这个拐点就出现在1976年。这一年，只读了半年大学的史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)与朋友史蒂芬·沃兹尼亚克(Stephen Wozniak)在一间车库图3.17苹果计算机的台原型机Apple Ⅰ里创建了自己的公司——苹果电脑公司，并研制了世界上台可以商业化的个人计算机(Personal Computer，PC)——Apple Ⅰ。这款售价只有666.66美元的计算机，价格要比当时任何商用计算机都便宜1～2个数量级。如图3.17所示，为了节省成本，它用的是其他公司开发的CPU，没有显示器(用家里的电视机即可)，键盘要另外购买，内存很小且没有外存储器(有一个音频接口，可以利用盒式录音机将数据保存在录音带中)，更没有什么现成的软件可以使用。因此Apple Ⅰ的使用者大都是计算机爱好者，它的象征意义远远大于实际意义。不过，沃兹尼亚克很快就开发出了下一代机型——Apple Ⅱ。它对大部分家庭的意义在于提供了游戏卡的接口，可以摇身一变成为游戏机。Apple Ⅱ(及其兼容机)可能是计算机历史上销量、生命力长的个人计算机之一，它的扩展型Apple Ⅱe居然卖到了1993年。另外，它还有一个中国版的孪生兄弟——中华学习机(一种Apple兼容机)，在20世纪80年代的销量居然是中国其他PC销量的总和。苹果公司早期的几款产品证明了计算机是可以进入家庭的，而且这个市场可能比原有的企业级市场还要大。但真正让个人计算机实用起来并普及到千家万户的，还是前面提到的“蓝色巨人IBM公司的外号是Big Blue(蓝色巨人)，主要是因为该公司和蓝色有不解之缘： 它的徽标是蓝色的，其数以千计的经理人员都穿蓝色衣服。”——IBM公司。1980年，IBM公司把研发PC的任务交给了在佛罗里达的一个只有十几个人的小组。为了节省成本并尽快完成任务，图3.18早期的IBMPC这个小组不得不打破以前IBM公司自行设计所有软硬件的做法，采用了第三方处理器——英特尔公司的8088芯片，委托微软公司配置软件(例如MSDOS操作系统)。这样仅用一年时间，也就是1981年，IBMPC就问世了，如图3.18所示。它不仅支持文字处理、编程等办公应用，从设计上也比当时苹果公司的Apple系列好很多。因此，IBMPC一问世就大受欢迎，当年就卖出10万台，占领了3/4的PC市场，《时代周刊》当年就评选其为20世纪伟大的产品。直到今天，IBMPC还是个人计算机的代名词。IBM公司为什么放弃PC市场IBM公司在历次技术革命中常常不是领跑者，却后发制人，笑到了后。关于IBM的辉煌事迹，有兴趣的读者可以看一看吴军博士的《浪潮之巅》一书的第2章“蓝色巨人”。但是在PC时代IBM公司却没有延续这一神话，终为英特尔和微软公司做了嫁衣。随着2005年将个人计算机部门卖给了中国的联想公司，IBM公司彻底退出了PC的舞台。造成这种结局的原因很多，虽然也有反垄断和恶意竞争的作用，但起到决定性作用的还是IBM公司的基因，也就是它赖以成功的商业模式。前面提到过，IBM公司的客户群基本上是政府部门、银行、大企业和科研院所，它的经营方式就是和这些大客户签订大合同，把计算机和服务捆绑在一起销售。IBM公司一旦签下一个大型服务器销售合同，不但可以直接进账上百万美元，而且每年还可以收取销售价10%左右的服务费。等客户需要更新计算机的时候，十有八九还得向它购买。如此一来，每谈下一笔这样的合同，它就可以坐地收钱了。相对而言，PC的利润较低而且基本不需要售后服务(很多PC厂商提供免费服务)，这对IBM这样的公司来说就成了鸡肋。例如，IBMPC年营业额大约是两亿美元，虽然对于其他小公司来说这是个天文数字，但只相当于IBM公司当时营业额的1%左右，利润还不如谈下一个大合同。要知道，IBM在向大客户销售大型服务器方面具有“比较优势”，而联想、戴尔、惠普经营PC的“经济效率”更高。有兴趣的读者可以看一看经济学方面的书籍，推荐保罗·海恩的《经济学的思维方式》。卖掉十万台PC可比谈一个大型机销售合同费劲得多。因此，从经济学的角度考虑，IBM公司不可能把PC事业上升到公司的战略高度来考虑。3.3.3颠覆传统行业随着信息技术的发展，计算机的成本、体积和能耗不断下降，而且它可靠性强、功能丰富的优势越来越明显。计算机使用的场合也就越来越多，以各种形式不断渗入各行各业，人们突然发现，自己使用了多年的东西，被计算机赋予了新的玩法。在通过计算机颠覆原有行业方面，苹果公司堪称创新的典范。虽然从20世纪80年代末到21世纪初较长的时间里，苹果公司一直处于计算机行业的边缘。但其创始人乔布斯的回归还是让它重新焕发生机，并创造了一个又一个的辉煌。2000—2010年这十年是苹果公司的黄金十年，它的风头甚至盖过了另一家明星公司——谷歌(Google)。由于苹果这一系列产品都是以字母i开头的，所以又称为“i十年”。面对20世纪末互联网音乐的兴起，乔布斯敏锐地察觉到两个问题： ①很多用户想听单曲而不是专辑，想把歌曲直接存放到播放器上而不是随身带着几十张CD或卡带； ②市场上已有的mp3之类的小型播放器查找和管理音乐很不方便——从上千首歌曲中按顺序找到自己听的歌曲可能要花几分钟。于是，乔布斯研发出了被称为iPod的音乐和录像播放器，不仅很好地解决了上面提到的技术问题，还把产品做到了极致： 它的播放器上有一个用手转圈滑动的音乐查找手段，使得用户可以非常快地找到自己要听的歌；苹果公司还为iPod配套开发了一种叫iTunes的软件，安装之后可以自动地把计算机上和光盘中的音乐传到iPod中。iPod充电一次，播放时长可达10个小时。iPod外观设计时尚漂亮，如图3.19所示。图3.19iPod家族的4类主打产品iPod一经推出，就吸引了大批爱听音乐的年轻人，仅仅一年销售额就突破1亿美元，又过了一年多，销售额接近10亿美元。2001年，iPod只有13万用户，而到了2009年底，用户数就增加到了2.5亿。iPod在给苹果公司带来巨额利润的同时，也颠覆了整个音乐唱片行业。1999年，全球音乐唱片CD的销售额是400亿美元，10年后的2009年，CD几乎消失，而整个音乐市场(包括iTunes)也由于iPod的效应缩小到不足200亿美元，因为iPod让音乐变得非常便宜。在iPod改变了音乐市场之后，乔布斯和他的苹果公司没有停下脚步，继续把创新的触角伸向其他领地。制造手机原本是摩托罗拉和诺基亚这些通信设备公司的业务，和计算机公司无关。但是随着手机中信号处理的重要性的逐渐下降(或者说这些技术瓶颈已经消失)，打电话的用途在逐渐淡化，对多种附加功能的需求不断上升，于是智能手机出现了。早期智能手机厂商的代表是加拿大的黑莓(Blackberry)公司，它一度垄断智能手机市场，接下来是诺基亚(Nokia)。但它们的思维方式还是没有摆脱以通信为主的限制——电话、短信加上Email功能，而上网和游戏功能的用户体验较差。苹果公司在2007年推出的iPhone不仅打破了智能手机固有的条条框框，也颠覆了整个通信行业： iPhone首先是一部便携的、可以随时上网的计算机，它让使用者把过去在PC上做的一些日常事务，例如看新闻、查邮件、聊天、听音乐，都用手机来完成了；然后，随着智能手机的普及，移动互联网逐渐代替了原来基于PC的互联网，成为多数人获取信息的渠道；接着，iPhone开始改变移动运营商的商业模式，运营商的收入从以话费为主转向以数据套餐为主(由于打电话功能被弱化)，而且由于智能手机可以通过WiFiWiFi通常也写作WiFi，中文译为“无线保真”，英文全称为WirelessFidelity，是一种允许电子设备连接到无线局域网的技术。上网，运营商的数据流量收入也受到了挑战；后，iPhone依然把产品的用户体验做到了极致，率先应用多点触屏、光线传感器、重力感应器、三轴陀螺等超过200项专利与技术，而且打造了一个成功的第三方手机软件销售平台——App Store。如图3.20所示为iPhone系列产品。2010年，苹果公司又推出了极具人气的触摸型平板电脑iPad。如图3.21所示，早期的iPad有一个9.7英寸显示屏，没有键盘，非常轻巧——大约一本200页16开书的大小和重量。它可以通过触摸输入文字和指令来上网或使用各种应用软件，因此有人说它是一个放大了的iPhone。它对PC产业同样是具有颠覆性的： 我们对个人计算机功能上的需求，iPad可以替代90%，甚至更多；由于它的方便性，在大多数场合，我们更倾向于使用iPad而不是PC甚至笔记本电脑；其设计非常人性化，只要用户拿到手中，瞬间就能明白
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