在电子时代之前，最接近计算机的东西是算盘，尽管严格地说，算盘实际上是一台计算器，因为它需要一名操作员。另一方面，计算机通过一系列称为软件的内置命令自动执行计算。

在20世纪，技术上的突破使得我们现在完全依赖于不断发展的计算机，我们几乎从未对它们进行过第二次思考。但甚至在微处理器和超级计算机出现之前，就有一些著名的科学家和发明家帮助奠定了这项技术的基础，这项技术彻底改变了现代生活的方方面面。

硬件之前的语言

计算机执行处理器指令的通用语言起源于17世纪的二进制数字系统。该系统由德国哲学家和数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）开发，是一种仅使用两位数字来表示十进制数的方法：数字0和数字1。莱布尼茨的体系部分受到了中国古典文学《易经》中哲学解释的启发，该书从光明与黑暗、男性与女性等二元论的角度解释了宇宙。虽然当时他的新编码系统没有实际用途，但莱布尼茨相信有一天机器可以利用这些长串二进制数。​

1847年，英国数学家乔治·布尔（George Boole）在莱布尼茨（Leibniz）的工作基础上引入了一种新设计的代数语言。他的“布尔代数”实际上是一个逻辑系统，用数学方程来表示逻辑中的语句。同样重要的是，它采用了一种二进制方法，其中不同数学量之间的关系可能是真的，也可能是假的，即0或1。

与莱布尼茨一样，布尔代数在当时也没有明显的应用，然而数学家查尔斯·桑德斯·皮尔斯（Charles Sanders Pierce）花了几十年的时间扩展了这个系统，并在1886年确定可以用电子开关电路进行计算。因此，布尔逻辑最终将成为电子计算机设计的工具。

最早的处理器

英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）组装了第一台机械计算机，至少从技术上讲是如此。他19世纪早期的机器以输入数字、内存和处理器以及输出结果为特色。巴贝奇称他最初尝试制造世界上第一台计算机为“差分引擎”。该设计要求一台能够计算数值并将结果自动打印到表格上的机器。它是用手摇的，重达四吨。但巴贝奇的孩子是一个昂贵的努力。差分引擎的早期开发花费超过17000英镑。1842年英国政府切断了巴贝奇的资金后，该项目最终被取消。

这迫使巴贝奇转向另一个想法，即“分析引擎”，它比其前身在范围上更具雄心，将用于通用计算，而不仅仅是算术。尽管巴贝奇从未能够完成并制造出一种工作装置，但他的设计基本上与20世纪将投入使用的电子计算机具有相同的逻辑结构。分析引擎具有集成内存—一种存在于所有计算机中的信息存储形式，它允许分支，或允许计算机执行一组偏离默认顺序的指令，以及循环，循环是连续重复执行的指令序列。

尽管巴贝奇未能生产出功能齐全的计算机，但他仍然坚定不移地追求自己的想法。1847年至1849年间，他为改进后的差分引擎的第二个新版本进行了设计。这一次，它计算了长达30位的十进制数，计算速度更快，并且被简化为需要更少的部件。尽管如此，英国政府还是觉得不值得他们投资。最后，巴贝奇在原型上取得的最大进步是完成了他第一次设计的七分之一。

在计算的早期，有一些显著的成就：1872年由苏格兰爱尔兰数学家、物理学家和工程师威廉·汤姆森爵士发明的潮汐预测机被认为是第一台现代模拟计算机。四年后，他的哥哥詹姆斯·汤姆森（James Thomson）提出了一个计算机的概念，该计算机可以解决被称为微分方程的数学问题。他把他的装置称为“积分机”，在以后的几年里，它将作为称为差分分析仪的系统的基础。1927年，美国科学家Vannevar Bush开始研制第一台命名为“机器人”的机器，并于1931年在一份科学杂志上发表了对其新发明的描述。

现代计算机的曙光

直到20世纪初，计算机的发展只不过是科学家们涉足设计能够高效地执行各种计算以达到各种目的的机器。直到1936年，关于什么是“通用计算机”以及它应该如何工作的统一理论才最终被提出。那年，英国数学家艾伦·图灵（Alan Turing）发表了一篇题为“关于可计算数字，以及对Entscheidungsproblem的应用”的论文，该论文概述了一种称为“图灵机器”的理论装置如何通过执行指令来执行任何可能的数学计算。理论上，这台机器将拥有无限的内存、读取数据、写入结果和存储指令程序。

虽然图灵的计算机是一个抽象概念，但一位名叫康拉德·祖斯的德国工程师将继续建造世界上第一台可编程计算机。他开发电子计算机Z1的第一次尝试是一个二进制驱动的计算器，可以从35毫米的穿孔胶片上读取指令。然而，这项技术并不可靠，因此他又采用了Z2，一种使用机电继电器电路的类似设备。虽然这是一种改进，但正是在组装他的第三款车型时，祖泽的一切都得以实现。Z3于1941年推出，速度更快，可靠性更高，能够更好地执行复杂的计算。第三种版本的最大区别在于，指令存储在外部磁带上，因此允许它作为一个完全可操作的程序控制系统运行。

也许最值得注意的是，祖泽的大部分工作都是独立完成的。他不知道Z3是“图灵完全的”，或者换句话说，至少在理论上能够解决任何可计算的数学问题。他也不知道世界其他地区在同一时间正在进行类似的项目。

其中最著名的是由IBM资助的哈佛马克一号，它于1944年首次亮相。更令人期待的是，电子系统的发展，如大不列颠的1943个计算原型巨像和Enac，第一个完全可操作的电子通用计算机，它于1946在宾夕法尼亚大学投入使用。

ENIAC项目带来了计算技术的下一次重大飞跃。匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼（John Von Neumann）曾就ENIAC项目进行咨询，他将为存储程序计算机奠定基础。到目前为止，计算机在固定程序上运行，并改变其功能，例如，从执行计算到文字处理。这需要耗时的过程，必须手动重新布线和重组。（重新编程ENIAC花了几天时间。）图灵提出，理想情况下，在内存中存储一个程序可以让计算机以更快的速度修改自己。冯·诺依曼对这个概念很感兴趣，并于1945年起草了一份报告，详细介绍了一种可行的存储程序计算体系结构。

他发表的论文将在从事各种计算机设计的相互竞争的研究团队中广泛传播。1948年，英国的一个小组引进了曼彻斯特小型实验机，这是第一台运行基于冯·诺依曼体系结构的存储程序的计算机。绰号为“宝贝”的曼彻斯特机器是一台实验性计算机，是曼彻斯特马克一号的前身。冯·诺依曼报告最初设计的计算机EDVAC直到1949年才完成。

向晶体管过渡

第一批现代计算机与今天消费者使用的商业产品完全不同。它们是精心制作的笨重玩意儿，常常占据整个房间的空间。它们也消耗了大量的能量，而且是出了名的四轮马车。由于这些早期的计算机运行在笨重的真空管上，希望提高处理速度的科学家要么要找到更大的空间，要么要想出另一种选择。

幸运的是，这一急需的突破已经在酝酿之中。1947年，贝尔电话实验室的一组科学家开发了一种称为点接触晶体管的新技术。像真空管一样，晶体管放大电流，可用作开关。更重要的是，它们体积小得多（大约一粒阿司匹林胶囊大小），更可靠，而且总体上耗电更少。共同发明人约翰·巴丁、沃尔特·布拉坦和威廉·肖克利最终将于1956年获得诺贝尔物理学奖。

在巴丁和布拉顿继续从事研究工作的同时，肖克利开始进一步开发晶体管技术并将其商业化。他新成立的公司的首批员工之一是一位名叫罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）的电气工程师，他最终分拆并成立了自己的公司——飞兆半导体公司（Fairchild Semiconductor），该公司是飞兆半导体相机和仪器的子公司。当时，诺伊斯正在研究如何将晶体管和其他元件无缝地结合到一个集成电路中，以消除必须用手将它们拼接在一起的过程。德克萨斯仪器公司的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）也有类似的想法，最终首先申请了专利。然而，将被广泛采用的是诺伊斯的设计。

集成电路最具影响力的地方是为个人计算的新时代铺平道路。随着时间的推移，它打开了运行由数百万个电路供电的进程的可能性，所有这些电路都在一块邮票大小的微芯片上。从本质上说，正是它使我们每天使用的无处不在的手持设备成为可能，具有讽刺意味的是，它们比占据整个房间的最早的计算机功能强大得多。