当年催生计算机诞生的基本动力，就是人类开始面对大规模的、传统手段无法处理的数值计算问题。所以计算机诞生后，最初始的应用领域就是解决物质世界中遇到的大规模计算问题。其面对的问题属性，基本都是科学或工程技术领域内的数值问题，比如核武器与航空航天中的设计与仿真。所以，这类应用也被称为科学计算类应用。

在第1章第1.1节中曾经指出，“计算”是属于人类特有的智能活动。只是因为它是一种“简单”的智能活动，所以当初并没有将“数据计算”当作智能应用。而事实上，今天谈论的各种智能应用，都是通过“计算”来完成的。所以，这个阶段事实上就是信息技术“智能”应用的起步阶段。

下面按照第3.1节讲的信息应用的六个核心要点来看计算机应用在第一阶段的特点。

信息（数据）：在这个阶段的科学计算应用中计算机处理的数据，是自然物质对象自然属性的数值表达，通常是一些物理数值。从语义的角度来看，这些数据只具有非常单一的语义性质。也正是由于这些数据所具有的语义特征的单一，一般也称之为数值数据，而不是信息。由于每一个数值数据所反映的是对象的局部物理状态，因此可以称之为“微观数据”。

支撑应用的基础理论：支撑这个阶段应用的是第1章第1.6节中提到的各种数学计算方法，比如现代计算力学中的有限元方法等。其中值得一提的是，对现代力学中普遍使用的有限元方法的创建，中国学者冯康有自己完整独立的贡献（冯康，1920—1993，应用数学与计算数学家，中国科学院院士）。

应用软件的特点：数值计算应用软件的核心，由各种数值算法组成，通过对输入数据的计算，得出有意义的数值结果。比如在核武器的设计、大型力学结构的设计、大气变化的模拟等应用中，软件的设计从软件系统工程的角度来看不是很复杂。应用的复杂性在于数值算法设计及其如何高效的实现。挑战则在于计算机的运算能力是否足够强大。因为数值计算的专业性很强，数值计算应用软件主要不是依靠软件工程师编制，而是各个领域的专业技术人员设计编制。这个阶段的应用，可以说基本上就是由不同的数值计算算法直接构成的。软件程序的结构相当简单。数值计算应用软件属于专业化工具，通常只完成一类特定的具体任务。对应于人类的辅助与延伸体能的工具，这时候的应用就相当于单一功能的工具，如锯、螺钉旋具、钳子等。

信息（数据）的管理及其与应用软件之间的关系：典型的数值计算类应用，完成孤立的计算任务是这类应用的基本特征。每次的计算任务会准备不同的数据，用相应的软件对数据进行处理以得到需要的结果数据。所以，数据是以计算任务为边界进行管理的，与软件是通过任务相结合的。应用软件因其承担任务的不同可以接受不同的数据进行处理。因此数据与软件之间没有紧密不可分的关系。

实际问题到数值问题的映射：科学技术中的实际计算问题，天然就是数值计算问题，基本不需要做人为的映射。只需提供合适的具体数值算法，计算机就能解决问题。算法的核心通常就是将连续数值计算问题用离散数值问题来近似，并保证计算的现实可实现性。

计算机所解决的问题本身的特点：从其完成的任务在现实中的作用来看，每一个具体的科学计算任务所解决的都是单一性的局部“点”的问题，不具有复杂的、将不同的要素联系整合在一起的全局特征。

后来，这种大型数值计算也被应用到社会领域，对于社会对象（如宏观经济问题）的数值表达进行复杂的运算，以找出需要的结论。但是因为社会领域的问题通常不是纯逻辑化的问题，其运动变化规律不能完全映射为数值算法，所以计算机在这方面的应用有根本性的局限。问题不是计算机的计算能力是否足够，而是待解决问题的本质决定了其不完全适合用计算机来解决。所以问题解决的满意度远不能与科学计算相比。

或许是因为受到在自己从事的科学技术领域内取得的巨大成就的鼓舞，钱学森（1911—2009，空气动力学家，中国科学院院士）^[1]和华罗庚^[2]（1910—1985，数学家，中国科学院院士）两位著名科学家前后曾经试图通过建立复杂的社会模型，用现代计算机手段从根本上解决计划经济的有效性问题。但是由于社会系统的不确定性与开放性，这些设想最后都没有能够付诸实践。

信息技术应用的这个时期是信息技术产业的婴幼年时代。在这个时期，信息技术产业在基础理论、核心技术与产品等方面取得了一系列的突破，为信息技术产业未来发展奠定了迄今为止依然不可撼动的理论基础及坚实的技术基础。(www.daowen.com)

艾伦·图灵在1936年，冯·诺伊曼在1947年，克劳德·埃尔伍德·山农（1916—2001，数学家，贝尔实验室/麻省理工学院任职）在1948年分别奠定了可计算理论、计算机架构与数字通信理论的基础。前两者的贡献在第1章中作了比较详细的分析，山农的贡献将在第4章中再作介绍。

在这个时期，计算机的硬件由电子管发展到晶体管（见图2-7）。计算机的运算速度达到每秒几万次的水平。1954年，第一台使用晶体管的计算机由美国贝尔实验室研制成功，被取名为TRADIC。它使用了800个晶体管。这个时期的计算机基本上是比较个性化的单件或小批量生产，不同机型之间缺少统一的软件与硬件的技术与产品标准。

早期的计算机主要采用磁环来存储程序和数据，每个磁环存一个二进制的位。这种存储方式的存储容量非常低。革命性的变化发生在1956年，IBM在IBM350机器上首次采用了硬盘。从此，硬盘成为计算机标准的数据存储设备。硬盘技术从根本上解决了大数据量的存储问题。

由于数值计算是这个时期的核心应用，IBM的John Backus（1924—2007，计算机科学家，IBM任职）和他的研究小组于1957年开发出面向科学计算的高级程序语言FORTRAN（FORmulaT RANslator）。这是第一个计算机高级程序语言，并且至今依然是计算机科学计算的主要工具。

在1958年，仙童半导体公司研制出第一个集成电路，见图3-2。它成为计算机在20世纪60年代进入集成电路时代的先声。

图3-2 仙童半导体公司1958年研制的第一个集成电路

德州仪器公司同期也开展了集成电路的研制工作，但仙童半导体公司抢先了一步。德州仪器公司的杰克·基尔比（1923—2005，电气工程师，德州仪器公司任职）于2000年因对集成电路技术的发明性贡献，获得了诺贝尔物理学奖。集成电路技术另外一个关键发明人，仙童公司的罗伯特·诺伊斯（1927—1990，物理学家，仙童半导体公司与英特尔公司的创始人之一）1990年因突发心脏病去世，而无法共享这一荣誉。

中国的计算机产业在20世纪50年代起步。在苏联的帮助下，中国科学院计算技术研究所与北京有线电厂合作，于1958年成功研制出中国第一台通用数字电子计算机103机，其运算速度达每秒1500次。1963年，中国科学院计算技术研究所研制了中国第一台晶体管大型通用数字电子计算机109机。

这是信息技术产业的奠基时期，形成了产业所需的比较完整的基本理论，并开始将这些理论付诸实践。在实践的过程中，完成了计算机硬件核心技术的突破，使得计算机在关键科技领域显示出了革命性的重大应用意义。