計(jì)算機(jī)的過去、現(xiàn)在與未來帕斯卡的加法機(jī)

萊布尼茲的乘法機(jī)

巴貝奇差分機(jī)巴貝奇分析機(jī)古老的計(jì)算工具—算盤

人類追求的計(jì)算工具計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備（俗稱電腦）。計(jì)算機(jī)概述第一臺電子計(jì)算機(jī)：埃尼阿克第一臺電子計(jì)算機(jī)：埃尼阿克第一臺計(jì)算機(jī)主要用于軍事領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算。

世界上第一臺現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”（ENIAC），誕生于1946年2月14日的美國賓夕法尼亞大學(xué)，這個(gè)龐然大物為來賓表演了它的“絕招”——在1秒鐘內(nèi)進(jìn)行了5000次加法運(yùn)算，這比當(dāng)時(shí)最快的繼電器計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度要快1000多倍。它包含了17,468真空管7,200水晶二極管,1,500中轉(zhuǎn),70,000電阻器,10,000電容器，1500繼電器，6000多個(gè)開關(guān)，耗電量150千瓦，造價(jià)48萬美元。ENIAC長30.48米，寬1米，占地面積約170平方米，30個(gè)操作臺，約相當(dāng)于10間普通房間的大小，重達(dá)30噸，這一組數(shù)據(jù)，可想而知是多么的笨重。代次起止年份所用電子元器件數(shù)據(jù)處理方式運(yùn)算速度應(yīng)用領(lǐng)域第一代1946~1958電子管匯編語言、代碼程序5千~3萬次/秒軍事及科研第二代1958~1964晶體管高級程序設(shè)計(jì)語言數(shù)十萬~幾百萬次/秒事務(wù)處理、數(shù)據(jù)處理第三代1964~1970中、小規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)處理數(shù)百萬~幾千萬次/秒工業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理第四代1971~今大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路分時(shí)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上億條指令/秒工業(yè)、生活等各方面電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一代電子計(jì)算機(jī)又稱“電子管計(jì)算機(jī)”。以電子管為主要電路元件的電子計(jì)算機(jī)。第一臺電子管計(jì)算機(jī)于1946年在美國制成，取名埃尼阿克(eniac)。1946-1957年生產(chǎn)的電子計(jì)算機(jī)都是第一代電子計(jì)算機(jī)。第二代電子計(jì)算第二代電子計(jì)算機(jī)采用晶體管制造的電子計(jì)算機(jī)。國外第二代電子計(jì)算機(jī)的生存期大約是1957-1964年。其軟件開始使用面向過程的程序設(shè)計(jì)語言，如fortran、algol等。中國第一臺晶體管計(jì)算機(jī)于1967年制成，運(yùn)算速度為每秒五萬次。第三代電子計(jì)算機(jī)采用集成電路制造的電子計(jì)算機(jī)。1964年開始出現(xiàn)，60年代末大量生產(chǎn)。其機(jī)種多樣化、系列化，外部設(shè)備品種繁多，并開始與通信設(shè)備相結(jié)合而發(fā)展為由多機(jī)組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)。運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百萬次，甚至幾千萬次、上億次。中國于1970年研制成第一臺集成電路計(jì)算機(jī)。第四代電子計(jì)算機(jī)1967年和1977年分別出現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。由大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路組裝成的計(jì)算機(jī)，被稱為第四代電子計(jì)算機(jī)。美國ILLIAC-IV計(jì)算機(jī)，是第一臺全面使用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計(jì)算機(jī)，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的發(fā)展已到了第四代。1975年，美國阿姆爾公司研制成470V/6型計(jì)算機(jī)，隨后日本富士通公司生產(chǎn)出M-190機(jī)，是比較有代表性的第四代計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)按處理數(shù)據(jù)數(shù)字式計(jì)算機(jī)模擬式計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬混合按用途分類通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)按規(guī)模分類巨型機(jī)大型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)工作站1、運(yùn)算速度快計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2、存儲容量大3、具有邏輯判斷能力4、能進(jìn)行自動控制5、計(jì)算精度高

1.信息處理信息處理是指對各種信息進(jìn)行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計(jì)、加工、利用和傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)為什么又稱為電腦？因?yàn)橛?jì)算機(jī)和人的大腦一樣也是信息采集、加工、處理的器官。計(jì)算機(jī)是一種信息處理機(jī)。

2.科學(xué)計(jì)算（數(shù)值計(jì)算）早期的計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算。目前在航天、汽車、造船和建筑等工程技術(shù)領(lǐng)域中，計(jì)算工作量往往是很大的。借助于計(jì)算機(jī)完成這些復(fù)雜的計(jì)算以是必經(jīng)只路。

3.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/輔助制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡稱CAD。計(jì)算機(jī)輔助制造簡稱CAM。CAD只利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)自動化縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。利用CAM輸出的信息控制生產(chǎn)過程的自動加工成為CAM

4.過程控制過程控制是利用計(jì)算機(jī)檢測生產(chǎn)現(xiàn)場，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)按一定算法調(diào)整生產(chǎn)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以控制產(chǎn)平的質(zhì)量。

5.計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬是指利用計(jì)算機(jī)程序和相應(yīng)的設(shè)備模擬實(shí)際環(huán)境，用于實(shí)驗(yàn)或訓(xùn)練。

6.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)上教學(xué)和遠(yuǎn)程教育以在許多學(xué)校展開。智能化計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

網(wǎng)絡(luò)化微型化巨型化CRAY-Ⅱ運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算的超級計(jì)算機(jī)1975年世界上第一臺超級計(jì)算機(jī)“Cray-I”超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報(bào)、地震機(jī)理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計(jì)算的高科技領(lǐng)域。銀河Ⅱ計(jì)算機(jī)發(fā)展——巨型化Altair8800計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是一種信息機(jī)器，一種個(gè)人的信息機(jī)器。計(jì)算機(jī)發(fā)展——微型化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展動力：使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。計(jì)算機(jī)發(fā)展——網(wǎng)絡(luò)化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的‘沒有靈魂的機(jī)械’來”。

——笛卡爾（1637）第一代機(jī)器人

機(jī)械手（1962年出現(xiàn)）第二代機(jī)器人

具有“感覺”的機(jī)器人第三代機(jī)器人

裝有啟發(fā)式計(jì)算機(jī)的“智能機(jī)器人”DeepblueGarryKasparov計(jì)算機(jī)發(fā)展——智能化智能手機(jī)的代表操作系統(tǒng)：AndroidOSv2.2CPU型號：NVIDIATegra2CPU頻率：1024MHz可用空間16GB內(nèi)存：1GBROM+1GBRAM主屏尺寸：4.0英寸下一代計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)成為我們工作上的工具，生活中的控制中心是必然的事情。計(jì)算機(jī)的未來充滿了變數(shù)。性能的大幅度提高是不可置疑的，而實(shí)現(xiàn)性能的飛躍卻有多種途徑。不過性能的大幅提升并不是計(jì)算機(jī)發(fā)展的唯一路線，計(jì)算機(jī)的發(fā)展，還應(yīng)當(dāng)變得越來越人性化，同時(shí)也要注重環(huán)保等等。

基于集成電路的計(jì)算機(jī)短期內(nèi)還不會退出歷史舞臺。但一些新的計(jì)算機(jī)正在躍躍欲試地加緊研究，這些計(jì)算機(jī)是：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)等。

摩爾定律微芯片上集成的晶體管數(shù)目每18個(gè)月翻一番，價(jià)格降低一半第五代電子計(jì)算機(jī)從20世紀(jì)80年代開始，日本、美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家都宣布開始新一代計(jì)算機(jī)的研究。人們普遍認(rèn)為新一代計(jì)算機(jī)應(yīng)該是智能型的，它能模擬人的智能行為，理解人類自然語言，并繼續(xù)向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。綜合起來大概有以下幾個(gè)研究方向。人工智能計(jì)算機(jī)巨型計(jì)算機(jī)多處理機(jī)激光計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)生物晶體計(jì)算機(jī)（DNA計(jì)算機(jī)）量子計(jì)算超導(dǎo)計(jì)算機(jī)芯片的集成度越高，計(jì)算機(jī)的體積越小，這樣才不致因信號傳輸而降低整機(jī)速度。但這樣一來就使機(jī)器發(fā)熱嚴(yán)重。解決問題的出路是研制超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。電流在超導(dǎo)體中流過時(shí)，電阻為零，介質(zhì)不發(fā)熱。1962年，英國物理學(xué)家約瑟夫遜提出了“超導(dǎo)隧道效應(yīng)”，即由超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體組成的器件（約瑟夫遜結(jié)），當(dāng)對其兩端加電壓時(shí)，電子就會像通過隧道一樣無阻擋地從絕緣介質(zhì)穿過，形成微小電流，而該器件兩端的壓降幾乎為零。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)相比，使用約瑟夫遜器件的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的耗電量僅為其幾千分之一，而執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間卻要快100倍。1999年11月，日本超導(dǎo)技術(shù)研究所與企業(yè)合作，制作了由1萬個(gè)約瑟夫遜元件組成的超導(dǎo)集成電路芯片。據(jù)悉，該所定于2003年生產(chǎn)這種超導(dǎo)芯片，2010年前后制造出這種超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。納米計(jì)算機(jī)在納米尺度下，由于有量子效應(yīng)，硅微電子芯片便不能工作。其原因是這種芯片的工作，依據(jù)的是固體材料的整體特性，即大量電子參與工作時(shí)所呈現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)平均規(guī)律。如果在納米尺度下，利用有限電子運(yùn)動所表現(xiàn)出來的量子效應(yīng)，可能就能克服上述困難?？梢杂貌煌脑韺?shí)現(xiàn)納米級計(jì)算，目前已提出了四種工作機(jī)制：（1）電子式納米計(jì)算技術(shù)；（2）基于生物化學(xué)物質(zhì)與DNA的納米計(jì)算機(jī)；（3）機(jī)械式納米計(jì)算機(jī)；（4）量子波相干計(jì)算。它們有可能發(fā)展成為未來納米計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)硅芯片計(jì)算機(jī)不同，光計(jì)算機(jī)用光束代替電子進(jìn)行計(jì)算和存儲：它以不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳送到另一個(gè)芯片。研制光計(jì)算機(jī)的設(shè)想早在20世紀(jì)50年代后期就已提出。1986年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維.米勒研制成功小型光開關(guān)，為同實(shí)驗(yàn)室的艾倫.黃研制光處理器提供了必要的元件。1990年1月，黃的實(shí)驗(yàn)室開始用光計(jì)算機(jī)工作。光計(jì)算機(jī)有全光學(xué)型和光電混合型。上述貝爾實(shí)驗(yàn)室的光計(jì)算機(jī)就采用了混合型結(jié)構(gòu)。相比之下，全光學(xué)型計(jì)算機(jī)可以達(dá)到更高的運(yùn)算速度。研制光計(jì)算機(jī)，需要開發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”?，F(xiàn)有的光學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，若用它們造成臺式計(jì)算機(jī)將有輛汽車那么大。因此，要想短期內(nèi)使光學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)用化還很困難。DNA計(jì)算機(jī)1994年11月，美國南加州大學(xué)的阿德勒曼博士用DNA堿基對序列作為信息編碼的載體，在試管內(nèi)控制酶的作用下，使DNA堿基對序列發(fā)生反應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。阿德勒曼在《科學(xué)》上公布了DNA計(jì)算機(jī)的理論，引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。阿德勒曼的計(jì)算機(jī)的計(jì)算與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)不同，計(jì)算不再只是簡單的物理性質(zhì)的加減操作，而又增添了化學(xué)性質(zhì)的切割、復(fù)制、粘貼、插入和刪除等種種方式。DNA計(jì)算機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)在于其驚人的存儲容量和運(yùn)算速度：1立方厘米的DNA存儲的信息比一萬億張光盤存儲的還多；十幾個(gè)小時(shí)的DNA計(jì)算，就相當(dāng)于所有電腦問世以來的總運(yùn)算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有電子計(jì)算機(jī)的一百億分之一。與傳統(tǒng)的“看得見、摸得著”計(jì)算機(jī)不同，目前的DNA計(jì)算機(jī)還是躺在試管里的液體。它離開發(fā)、實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，尚有許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)性問題需要去解決。量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，利用原子的量子特性進(jìn)行信息處理。由于原子具有在同一時(shí)間處于兩個(gè)不同位置的奇妙特性，即處于量子位的原子既可以代表0或1，也能同時(shí)代表0和1以及0和1之間的中間值，故無論從數(shù)據(jù)存儲還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的兩倍。對此，有人曾經(jīng)作過這樣的比喻：假設(shè)一只老鼠準(zhǔn)備繞過一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，它要么從左邊過，要么從右邊過，而根據(jù)量子理論，它卻可以同時(shí)從貓的左邊和右邊繞過量子計(jì)算機(jī)在外形上有較大差異，它沒有盒式外殼；看起來像是一個(gè)被其它物質(zhì)包圍的巨大磁場；它不能利用硬盤實(shí)現(xiàn)信息的長期存儲；但高效的運(yùn)算能力使量子計(jì)算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案并不少，問題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。這些計(jì)算機(jī)機(jī)異常敏感，哪怕是最小的干擾--比如一束從旁邊經(jīng)過的宇宙射線--也會改變機(jī)器內(nèi)計(jì)算原子的方向，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。目前，量子計(jì)算機(jī)只能利用大約5個(gè)原子做最簡單的計(jì)算。要想做任何有意義的工作都必須使用數(shù)百萬個(gè)原子人工智能人工智能是人造的智能,是計(jì)算機(jī)科學(xué)、邏輯學(xué)、認(rèn)知科學(xué)交叉形成的一門科學(xué)。其基本目標(biāo)就是使機(jī)器表現(xiàn)出類似人類的智慧,使機(jī)器具有類似人類的智能行為,使機(jī)器思維(MakingMachine“Think”)。智能接口技術(shù)是研究如何使人們能夠方便自然地與計(jì)算機(jī)交流。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要求計(jì)算機(jī)能夠看懂文字、聽懂語言、說話表達(dá)，甚至能夠進(jìn)行不同語言之間的翻譯，而這些功能的實(shí)現(xiàn)又依賴于知識表示方法的研究。因此，智能接口技術(shù)的研究既有巨大的應(yīng)用價(jià)值，又有基礎(chǔ)的理論意義。目前，智能接口技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識別、語音識別、語音合成、圖像識別、機(jī)器翻譯以及自然語言理解等技術(shù)已經(jīng)開始實(shí)用化。計(jì)算機(jī)正在改變我們的生活計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)計(jì)算機(jī)在航空航天方面的應(yīng)用計(jì)算機(jī)在軍事上應(yīng)用廣泛國際互聯(lián)網(wǎng)讓人們生活聯(lián)系更加緊密眾所周知的……你可能不知道的……汽車碰撞試驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)核研究模擬宇宙大爆炸計(jì)算材料學(xué)網(wǎng)絡(luò)有風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)入需謹(jǐn)慎信息竊取技術(shù)嚴(yán)重侵害了人們的正常生活網(wǎng)絡(luò)電話在提供方便的同時(shí)，也隱藏著危險(xiǎn)“熊貓燒香”病毒曾猖獗一時(shí)計(jì)算機(jī)十大犯罪案例網(wǎng)絡(luò)欺詐網(wǎng)絡(luò)犯罪合理利用網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識了解網(wǎng)絡(luò)，掌握基本的網(wǎng)絡(luò)知識，充分利用計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)給我們帶來的各方面的便利條件；學(xué)會鑒別各種網(wǎng)絡(luò)行為，辨別來自各方的信息，謹(jǐn)慎對待網(wǎng)友的各種請求，同時(shí)謹(jǐn)慎進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)活動，對自己的言行負(fù)責(zé)；了解基本的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)知識，盡力做好自己的計(jì)算機(jī)設(shè)備