为什么没有发展出大规模的机械式计算机？
你提出的这个问题非常棒，也非常有深度！实际上，我们“曾经”发展出过大规模的机械式计算机，但它们最终被电子计算机所取代，并逐渐退出了主流舞台。要详细解答为什么没有继续发展出“大规模的”机械式计算机，我们需要从多个角度进行分析，包括其固有的局限性、技术发展的驱动力以及历史的演变。
一、 机械式计算机的历史及其“大规模”的尝试
在电子计算机出现之前，机械式计算机确实是进行复杂计算的主力。其中最著名和具有里程碑意义的包括：
查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的设计：
差分机（Difference Engine）： 这是巴贝奇的第一个伟大构想，旨在自动化多项式函数的计算，用于生成数学表格（如对数表、三角函数表）。它通过齿轮和杠杆的复杂组合来实现算术运算。巴贝奇建造了第一台部分运行的差分机，但由于技术和资金限制未能完全实现。
分析机（Analytical Engine）： 这是巴贝奇更具革命性的设计，被认为是现代通用计算机的先驱。分析机包含了现代计算机的几个核心概念：
输入单元： 通过穿孔卡片读取指令和数据。
存储单元（Store）： 用于存放数字。
算术逻辑单元（Mill）： 执行加减乘除等算术运算。
控制单元： 决定操作的顺序，包括条件跳转和循环。
输出单元： 用于显示或打印结果。
分析机的设计图纸非常详细，但由于其极其复杂的机械结构以及当时的加工精度限制，从未被完整建造出来。如果按照巴贝奇的设计建造，它无疑将是人类历史上最大规模的机械式计算机。
其他机械式计算设备：
万能计算器（Curta Calculator）： 尽管不是“大规模”，但其紧凑而精密的机械设计，能够执行加、减、乘、除、平方根等运算，展示了机械计算的极致。
奥古斯特·库尔兹（August Kullertz）的计算器： 也是19世纪末出现的精密机械计算器。
航空和军事领域的机械计算器： 例如用于火炮弹道计算的各种机械式计算机，在第二次世界大战期间被广泛使用。
从巴贝奇的设想来看，他确实在尝试构建“大规模的”通用计算设备。但这些尝试最终都遇到了难以逾越的障碍。
二、 为什么大规模的机械式计算机没有继续发展？
主要原因可以归结为以下几个方面：
1. 速度瓶颈（Speed Bottleneck）：
物理运动的限制： 机械式计算机的运算依赖于物理部件的移动，如齿轮的转动、杠杆的摆动、凸轮的旋转等。这些机械运动的速度受到摩擦力、惯性、材料强度、加工精度以及驱动力（通常是手动或简单的电机）的限制。
“时钟周期”的延迟： 在电子计算机中，一个基本操作（如逻辑门开关）可以在纳秒甚至皮秒级别完成，这构成了“时钟周期”。机械式计算机的“时钟周期”则以毫秒甚至更长为单位，这意味着每秒的运算次数（OPS）相比电子计算机几乎可以忽略不计。一个简单的加法操作，即使是设计精良的机械计算机，也需要一系列齿轮的转动，这需要相当长的时间。
并行性的困难： 虽然理论上可以通过增加更多的并行机械单元来提高速度，但每增加一个单元，就意味着更多的传动装置、更多的驱动力和更复杂的控制，这会进一步加剧速度瓶颈和系统的复杂性。
2. 体积与复杂性（Size and Complexity）：
巨大的尺寸： 要实现像分析机那样复杂的逻辑和存储功能，所需的齿轮、杠杆、轴承和连接件将极其庞大和密集。巴贝奇的差分机本身就已经非常庞大，需要多人操作和维护。
极高的制造精度要求： 机械式计算机的精度直接决定了计算的准确性。微小的制造误差（如齿轮齿距不均、轴承间隙过大）都会导致累积误差，最终使得计算结果错误。在19世纪和20世纪早期，要达到如此高的精度并且批量制造，是极其困难且成本高昂的。
装配和维护的噩梦： 数以万计甚至百万计的精密机械零件需要精确地装配。一旦某个部件磨损、损坏或出现故障，诊断和更换将极其耗时和困难。机器的可靠性和可用性会非常低。
3. 可靠性与磨损（Reliability and Wear）：
机械磨损： 齿轮、轴承、离合器等运动部件在持续运转过程中会发生磨损，导致精度下降，甚至损坏。这就需要频繁的润滑、调整和更换零件，这对于一台“大规模”的机器来说是巨大的挑战。
摩擦和能量损失： 机械部件之间的摩擦会消耗大量的能量，并且会产生热量，这也会影响设备的稳定性和寿命。
故障的累积效应： 在一个高度复杂的机械系统中，一个微小的故障可能会连锁反应，导致整个系统失灵。
4. 能量消耗（Energy Consumption）：
驱动力需求： 驱动庞大复杂的机械结构需要相当大的能量。手动操作是有限的，而使用电机也意味着需要更强大的电机和电力供应，这会进一步增加系统的体积和成本。
效率低下： 由于机械传动过程中的能量损耗（摩擦、惯性等），机械式计算机的能量利用效率远低于电子计算机。
5. 柔性与可编程性（Flexibility and Programmability）：
固定的功能： 许多早期的机械式计算机被设计用于执行特定任务（如差分机）。虽然分析机具有通用性，但其编程方式（穿孔卡片）相比电子计算机的指令集和内存编程仍然显得原始和受限。
重构的困难： 要改变机械式计算机的功能或算法，可能需要物理上重新配置大量的机械部件，这比修改电子计算机的软件程序要困难得多。
6. 电子技术的飞跃（The Rise of Electronics）：
根本性的技术变革： 20世纪初，真空管、继电器以及后来的晶体管等电子元件的发明，彻底改变了计算的可能性。
电子元件的优势：
极高的速度： 电子信号的传输速度接近光速，远远超过了机械运动的速度。
微型化： 电子元件可以做得非常小巧，使得计算机的体积大大缩小。
可靠性： 没有活动的机械部件，电子元件在正常工作条件下磨损极小，可靠性极高。
低功耗： 相比机械系统，电子电路的功耗更低。
易于控制与编程： 电子信号易于通过逻辑门进行组合和控制，并且可以通过存储在内存中的指令（软件）来实现高度的灵活性和可编程性。
成本效益： 随着电子技术的成熟，特别是晶体管和集成电路的出现，电子计算机的制造成本迅速下降，而性能却飞速提升，使得它们在成本效益上完全超越了任何可能的机械式计算机。
三、 历史的自然选择
技术发展往往是一个优胜劣汰的过程。当一种技术能够以更低的成本、更高的效率、更小的体积和更好的性能完成相同或更复杂任务时，它就会逐渐取代旧的技术。电子计算机的出现，凭借其在速度、体积、可靠性、易用性和成本等方面的压倒性优势，迅速占据了计算的主导地位。
即使是像巴贝奇那样天才的设计师，在受限于当时的材料科学、加工工艺和工程学知识的情况下，也只能设计出极其庞大、复杂且可能永远无法完美实现的机械式计算机。而电子技术的进步，为人类打开了通往全新计算时代的大门。
总结来说，没有发展出“大规模的”后继机械式计算机，是因为它们在速度、体积、可靠性、能耗和可编程性等核心指标上，都无法与电子计算机匹敌。电子技术的飞跃提供了一个更优越的解决方案，迅速取代了机械计算的主流地位。我们今天使用的所有计算机，无论大小，都是电子计算机的后代，它们继承了电子技术带来的革命性进步。
一、 机械式计算机的历史及其“大规模”的尝试
在电子计算机出现之前，机械式计算机确实是进行复杂计算的主力。其中最著名和具有里程碑意义的包括：
查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）的设计：
差分机（Difference Engine）： 这是巴贝奇的第一个伟大构想，旨在自动化多项式函数的计算，用于生成数学表格（如对数表、三角函数表）。它通过齿轮和杠杆的复杂组合来实现算术运算。巴贝奇建造了第一台部分运行的差分机，但由于技术和资金限制未能完全实现。
分析机（Analytical Engine）： 这是巴贝奇更具革命性的设计，被认为是现代通用计算机的先驱。分析机包含了现代计算机的几个核心概念：
输入单元： 通过穿孔卡片读取指令和数据。
存储单元（Store）： 用于存放数字。
算术逻辑单元（Mill）： 执行加减乘除等算术运算。
控制单元： 决定操作的顺序，包括条件跳转和循环。
输出单元： 用于显示或打印结果。
分析机的设计图纸非常详细，但由于其极其复杂的机械结构以及当时的加工精度限制，从未被完整建造出来。如果按照巴贝奇的设计建造，它无疑将是人类历史上最大规模的机械式计算机。
其他机械式计算设备：
万能计算器（Curta Calculator）： 尽管不是“大规模”，但其紧凑而精密的机械设计，能够执行加、减、乘、除、平方根等运算，展示了机械计算的极致。
奥古斯特·库尔兹（August Kullertz）的计算器： 也是19世纪末出现的精密机械计算器。
航空和军事领域的机械计算器： 例如用于火炮弹道计算的各种机械式计算机，在第二次世界大战期间被广泛使用。
从巴贝奇的设想来看，他确实在尝试构建“大规模的”通用计算设备。但这些尝试最终都遇到了难以逾越的障碍。
二、 为什么大规模的机械式计算机没有继续发展？
主要原因可以归结为以下几个方面：
1. 速度瓶颈（Speed Bottleneck）：
物理运动的限制： 机械式计算机的运算依赖于物理部件的移动，如齿轮的转动、杠杆的摆动、凸轮的旋转等。这些机械运动的速度受到摩擦力、惯性、材料强度、加工精度以及驱动力（通常是手动或简单的电机）的限制。
“时钟周期”的延迟： 在电子计算机中，一个基本操作（如逻辑门开关）可以在纳秒甚至皮秒级别完成，这构成了“时钟周期”。机械式计算机的“时钟周期”则以毫秒甚至更长为单位，这意味着每秒的运算次数（OPS）相比电子计算机几乎可以忽略不计。一个简单的加法操作，即使是设计精良的机械计算机，也需要一系列齿轮的转动，这需要相当长的时间。
并行性的困难： 虽然理论上可以通过增加更多的并行机械单元来提高速度，但每增加一个单元，就意味着更多的传动装置、更多的驱动力和更复杂的控制，这会进一步加剧速度瓶颈和系统的复杂性。
2. 体积与复杂性（Size and Complexity）：
巨大的尺寸： 要实现像分析机那样复杂的逻辑和存储功能，所需的齿轮、杠杆、轴承和连接件将极其庞大和密集。巴贝奇的差分机本身就已经非常庞大，需要多人操作和维护。
极高的制造精度要求： 机械式计算机的精度直接决定了计算的准确性。微小的制造误差（如齿轮齿距不均、轴承间隙过大）都会导致累积误差，最终使得计算结果错误。在19世纪和20世纪早期，要达到如此高的精度并且批量制造，是极其困难且成本高昂的。
装配和维护的噩梦： 数以万计甚至百万计的精密机械零件需要精确地装配。一旦某个部件磨损、损坏或出现故障，诊断和更换将极其耗时和困难。机器的可靠性和可用性会非常低。
3. 可靠性与磨损（Reliability and Wear）：
机械磨损： 齿轮、轴承、离合器等运动部件在持续运转过程中会发生磨损，导致精度下降，甚至损坏。这就需要频繁的润滑、调整和更换零件，这对于一台“大规模”的机器来说是巨大的挑战。
摩擦和能量损失： 机械部件之间的摩擦会消耗大量的能量，并且会产生热量，这也会影响设备的稳定性和寿命。
故障的累积效应： 在一个高度复杂的机械系统中，一个微小的故障可能会连锁反应，导致整个系统失灵。
4. 能量消耗（Energy Consumption）：
驱动力需求： 驱动庞大复杂的机械结构需要相当大的能量。手动操作是有限的，而使用电机也意味着需要更强大的电机和电力供应，这会进一步增加系统的体积和成本。
效率低下： 由于机械传动过程中的能量损耗（摩擦、惯性等），机械式计算机的能量利用效率远低于电子计算机。
5. 柔性与可编程性（Flexibility and Programmability）：
固定的功能： 许多早期的机械式计算机被设计用于执行特定任务（如差分机）。虽然分析机具有通用性，但其编程方式（穿孔卡片）相比电子计算机的指令集和内存编程仍然显得原始和受限。
重构的困难： 要改变机械式计算机的功能或算法，可能需要物理上重新配置大量的机械部件，这比修改电子计算机的软件程序要困难得多。
6. 电子技术的飞跃（The Rise of Electronics）：
根本性的技术变革： 20世纪初，真空管、继电器以及后来的晶体管等电子元件的发明，彻底改变了计算的可能性。
电子元件的优势：
极高的速度： 电子信号的传输速度接近光速，远远超过了机械运动的速度。
微型化： 电子元件可以做得非常小巧，使得计算机的体积大大缩小。
可靠性： 没有活动的机械部件，电子元件在正常工作条件下磨损极小，可靠性极高。
低功耗： 相比机械系统，电子电路的功耗更低。
易于控制与编程： 电子信号易于通过逻辑门进行组合和控制，并且可以通过存储在内存中的指令（软件）来实现高度的灵活性和可编程性。
成本效益： 随着电子技术的成熟，特别是晶体管和集成电路的出现，电子计算机的制造成本迅速下降，而性能却飞速提升，使得它们在成本效益上完全超越了任何可能的机械式计算机。
三、 历史的自然选择
技术发展往往是一个优胜劣汰的过程。当一种技术能够以更低的成本、更高的效率、更小的体积和更好的性能完成相同或更复杂任务时，它就会逐渐取代旧的技术。电子计算机的出现，凭借其在速度、体积、可靠性、易用性和成本等方面的压倒性优势，迅速占据了计算的主导地位。
即使是像巴贝奇那样天才的设计师，在受限于当时的材料科学、加工工艺和工程学知识的情况下，也只能设计出极其庞大、复杂且可能永远无法完美实现的机械式计算机。而电子技术的进步，为人类打开了通往全新计算时代的大门。
总结来说，没有发展出“大规模的”后继机械式计算机，是因为它们在速度、体积、可靠性、能耗和可编程性等核心指标上，都无法与电子计算机匹敌。电子技术的飞跃提供了一个更优越的解决方案，迅速取代了机械计算的主流地位。我们今天使用的所有计算机，无论大小，都是电子计算机的后代，它们继承了电子技术带来的革命性进步。
网友意见
既然已经有了技术成熟的机械式计时器甚至计算器，说明机械已经有了处理信息的能力，那为什么后来发展出的是电子计算机而不是机械式计算机？
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