机电计算机的弊端
随着人口爆炸型增长，贸易开启、战争需求以及对科学工程更高级的研究，人们对数据计算的要求越来越高。打卡式的机电计算机的出现，代替了人们手工式的计算，极大的提高了计算效率。
世界上最大的机电计算机之一是由 IBM 公司在 1944 年生产的“哈佛马克一号”，这部计算机重达 4500 公斤，由 76 万 5 千个组件，300 万个连接点以及 800 多公里长的导线组成。并且，为了保持它内部的机械装置同步，有一个 15 米长的连接杆将其连接起来，并由一台 5 马力的电机来驱动。
机电计算机的大脑是继电器，这是一种电控制器件，当接通控制电流的电路的时候，会控制继电器中的机械臂闭合电路，从而使目标器件通电。在机电计算机中，利用继电器来控制电机的运动，来完成计算的目的。
然而继电器中的机械臂是有质量的，这导致其无法快速翻转。在 1940 年代，一个好的继电器大概每秒能翻转 50 次左右。在哈佛马克一号上，1 秒钟大约能做 3 次加法，乘法需要 6 秒，除法则需要 15 秒，而做类似三角函数的复杂计算需要的时间达到了 1 分钟以上。
另外，继电器是也是一种机械设备，那么机械的磨损也不可避免，而继电器的损坏会直接造成计算错误。在哈佛马克一号中大约有 3500 个继电器，即使每个继电器的寿命能达到 10 年，平均每天都需要更换一个继电器。
最后，大型机电计算机持续地运转，造成机器温度较高，而吸引了许多昆虫。当时的工作人员排除计算机故障时，从中拖出了大量的死虫子（bug），这也是计算机术语 “bug” 的由来。
电子计算机的开端
机电计算机的弊端和上限，让人们必须去寻找更快速稳定的计算机器。还好，科学家们早有准备，John Ambrose Fleming 早在 1904 年就发明了热电子管。
电子管是一种玻璃制成的真空管。把两个电极放在真空管中，其中一个电极可以加热，从而发射电子，让另一个电极带上正电荷吸引电子，就可以形成电流，这种让电子单向流动部件就叫做二极管。
但是如果要用于计算，我们还需要控制电流的开关。Lee de Forest 1906 年在二极管之间加入了控制电极，制作出了三极管。如果向控制电极施加正电荷，则电子就会流动，反之如果施加负电荷，则会阻止电子流动，用于达到控制电路闭合或断开的功能。
电子管内没有“机械臂”的运动，减少了磨损，并大大提高了速度，它每秒可以闭合断开电路数千次。电子管逐步运用到计算机中，标志着电子计算机的开端。
1943 年 12 月，Tommy Flowers 设计出了第一个用真空管的计算机“巨人一号”，在英国的“布莱切利园”用于破解纳粹通信密码。它采用了 1600 个真空管，通过插入预先设置好的程序板来进行计算，被认为是第一个可编程的计算机。顺便提一下，两年前，Alan Mathison Turing（阿兰·图灵）也在同一个地方用机电计算机“BOMBE”破解纳粹的英格玛密码。
而 1946 年在宾夕法尼亚大学制造的电子数值积分计算机“ENIAC”，则被认为是第一个真正通用，可编程的电子计算机。它每秒可以进行 5000 次十位数加减法，据统计，在它运行的 10 年中，计算量比之前全人类加起来的计算量都多。
电子管作为电子计算机及各类电子器件的基础，持续了半个世纪之久。然而电子管也有很大的缺陷：它脆弱易碎，并且像灯泡一样会烧坏。在 ENIAC 中，因为电子管的数量巨大，平均每半天就会有一个电子管被烧坏。
现代电子计算机的基础
为了进一步降低计算成本，提高计算的可靠性，人们还需要一种新的电子开关。直到 1947 年，贝尔实验室的科学家们发明了晶体管。
晶体管也是一种电子开关，它有两个电极，电极中间有一层有时导电，有时不导电，因此被称为半导体的材料。通过加入一个“门电极”，通过改变门电极上的电荷，我们可以控制半导体材料的导电性，来开关电路。
贝尔实验室的第一个晶体管每秒就可以开关上万次。而且，比起玻璃制成的电子管，晶体管是固态的。同时，比起电子管来说，晶体管的体积远远比电子管小，导致了更小更便宜并且更稳定的计算机成为了可能。
IBM 1957 年制造出来的 IBM608 是第一个完全采用晶体管制造的计算机。它大约采用了 3000 个晶体管，每秒钟可以进行 4500 次加减法或 80 次乘除法的运算。
IBM 很快把所有的产品都采用了晶体管，大大减小计算机的体积和价格，使计算机逐渐进入了办公室与家庭。
如今，晶体管的普遍体积均小于 50 纳米，甚至可以达到 7 纳米的程度（要知道一张纸的厚度大概等于 10 万纳米！），并且每秒至少能切换上百万次。
因为很多开发半导体与晶体管的公司在加州的“圣克拉拉谷”，而生产半导体的常见材料是硅，所以人们把这里称为“硅谷”。William Shockly 搬到这里，创立了“肖克利半导体”，里面的员工后来成立了“仙童半导体”，仙童半导体里面的员工后来创立出了“英特尔”——当今世界上最大的计算机芯片制造商。
之后
从继电器到电子管再到晶体管，我们让计算机的控制部分变得非常地快，并且大大减少了体积和成本。但我们如何用晶体管代替机械设备来做运算，从而减少机械磨损呢？我们在接下来解释这个问题。
