1.1.2　電子計算機的發展歷程

在巴貝奇的差分機之后的一百年間，人類在電磁學、電工學、電子學領域不斷取得重大進展，為電子計算機的出現奠定了堅實的基礎。

1.現代計算機發展歷程

第一臺電子計算機的誕生可以說是戰爭的產物，二戰爆發后，美國陸軍軍械部為研制和開發新型火炮，在馬里蘭州的阿伯丁設立了“彈道研究實驗室”。彈道計算的工作量極大，繁重的計算任務使那里的研究人員大傷腦筋。盡管實驗室雇用了200多名計算專家，但還是捉襟見肘。他們迫切需要一種新的計算機器，以提高工作效率。恰在此時，賓夕法尼亞大學莫爾電機學院的莫克利博士（見圖1-12）提出了試制第一臺電子計算機的設想。他的設想引起了陸軍軍械部的注意，立即要求莫爾學院擬定一份研制計劃。根據科學家們的估計，制造一臺電子計算機所需的經費為15萬美元，這在當時是一筆巨款，因此遭到了軍方內部很多人的堅決反對。眼看研制電子計算機的計劃就要夭折，美國著名數學家維伯倫博士堅定地站到了支持者的行列里，他最終說服了美國軍方。經過兩年多的緊張研制，第一臺電子計算機（“埃及阿克”）終于在1946年2月14日問世。而它的開發經費幾經追加，最后達到48萬美元。

這臺電子計算機，如今看來簡直就是一個怪物（見圖1-1）。其內部有成千上萬個電子管、二極管、電阻器等元件，電路的焊接點多達50萬個；在機器表面，則布滿電表、電線和指示燈。它的功率超過174kW，據說在使用時全鎮的電燈都會變暗；而且它的電子管平均每隔15min就要燒壞一支，科學家們不得不停更換。然而，“埃尼阿克”的計算速度卻是手工計算的20萬倍、繼電器計算機的1000倍。美國軍方也終于知道了這臺計算機的價值是巨大的，因為它計算炮彈彈道只需要3s，而在此之前，則需要200人手工計算兩個月。除了常規的彈道計算外，它后來還涉及諸多的科研領域，曾在第一顆原子彈的研制過程中發揮了重要作用。

“埃尼阿克”雖是第一臺正式投入運行的電子計算機，但它并不具備現代計算機“存儲程序”的思想。1946年6月，馮·諾依曼博士（圖1-13）發表了《電子計算機裝置邏輯結構初探》論文，并設計出第一臺“存儲程序”的離散變量自動電子計算機（The Electronic Discrete Variable Automatic Computer，簡稱EDVAC），1952年正式投入運行，其運算速度是“埃尼阿克”的240倍。馮·諾依曼提出的EDVAC計算機結構為人們普遍接受，此計算機結構又稱馮·諾依曼型計算機。

從第一臺電子計算機的誕生至今，經過了四個發展階段，計算機技術獲得了迅猛的發展，計算機的集成度和性能至今一直遵循摩爾定律：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目約每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。這意味著計算機越來越便宜。表1-1列出了從第一代計算機到第四代計算機的特征。

第四代計算機已經發展為超大規模集成電路，系統結構方面發展了并行處理技術，分布式計算機系統。在內存容量、外存容量、處理器速度等指標上都進入千兆（G）數量級，外存容量甚至到千千兆字節（TB），網絡的傳輸速度也達到了GB，所以現在這個計算機時代也可以稱為G時代，相信在不遠的將來，計算機將邁入T時代。

第五代計算機正在研究和發展，第五代計算機是指具有人工智能的新一代計算機，它具有推理、聯想、判斷、決策、學習等功能，能夠模擬人腦思維。

計算機、網絡、通信三位一體，將推動智能社會的發展，將把人從重復、枯燥的信息處理中解放出來，從而改變人們的工作、生活和學習方式，給人類和社會拓展了更大的生存和發展空間。

2.我國計算機的發展

我國計算機的發展起步于20世紀50年代。

1958年，中國科學院計算機研究所研制成功我國第一臺小型電子管通用計算機103機（八一型），標志著我國第一臺電子計算機的誕生。

1965年中國科學院計算機研究所研制成功我國第一臺大型晶體管計算機109乙機。

1974年，清華大學等單位聯合設計、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計算機，運算速度達每秒100萬次。

1983年，國防科技大學研制成功運算速度每秒上億次的銀河-I巨型機，這是我國高速計算機研制的一個重要里程碑。

1985年，電子工業部計算機管理局研制成功與IBM PC兼容的長城0520CH微機。

1992年，國防科技大學研究出銀河-II通用并行巨型機，峰值速度達每秒4億次浮點運算（相當于每秒10億次基本運算操作），為共享主存儲器的四處理機向量機，其向量中央處理機是采用中小規模集成電路自行設計的，總體上達到20世紀80年代中后期國際先進水平。它主要用于中期天氣預報。

1993年，國家智能計算機研究開發中心（后成立北京市曙光計算機公司，簡稱曙光公司）研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機，這是國內首次以基于超大規模集成電路的通用微處理器芯片和標準UNIX操作系統設計開發的并行計算機。

1995年，曙光公司又推出了國內第一臺具有大規模并行處理機（MPP）結構的并行機曙光1000（含36個處理機），峰值速度每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規模并行機體系結構與實現技術相近，這表明與國外的差距縮小到5年左右。

1997年，國防科大研制成功銀河-Ⅲ百億次并行巨型計算機系統，采用可擴展分布共享存儲并行處理體系結構，由130多個處理結點組成，峰值性能為每秒130億次浮點運算，系統綜合技術達到20世紀90年代中期國際先進水平。

1997—1999年，曙光公司先后在市場上推出具有機群結構（Cluster）的曙光1000A、曙光2000-I、曙光2000-II超級服務器，峰值計算速度已突破每秒1000億次浮點運算，機器規模已超過160個處理機。

1999年，國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威I計算機通過了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運行。系統有384個運算處理單元，峰值運算速度達每秒3840億次。

2000年，曙光公司推出每秒3000億次浮點運算的曙光3000超級服務器。

2001年，中國科學院計算機研究所研制成功我國第一款通用CPU——“龍芯”芯片。

2010年，“天河一號A”讓我國第一次擁有了當時全球最快的超級計算機，運行速度達到1206萬億次。

2014年，“天河二號”運行速度達到3.39億億次。

雖然我國計算機的發展取得了一定的成就，但需要我們加倍努力，進入世界先進行列。

3.奠定現代計算機基礎重要思想的人物

現代計算機的發展離不開廣大科學家的努力，特別是一些對計算機發展有杰出貢獻的科學家的重要思想奠定了現代計算機發展的基礎。

英國數學家喬治·布爾（George Boole，1815年11月2日—1864年12月8日，圖1-14），19世紀最重要的數學家之一，出版了《邏輯的數學分析》，該書對符號邏輯作出了重要的貢獻。1854年，他出版了《思維規律的研究》，這是他最著名的作品，在這本書中布爾介紹了現在以他的名字命名的布爾代數。布爾代數是研究0和1兩個符號的代數系統，提出了邏輯符號系統描述物體的概念，為數字計算機開關電路的設計和運用提供了重要的數學方法。

奧古斯塔·阿達·金，勒芙蕾絲伯爵夫人（Augusta Ada King，Countess of Lovelace，1815年12月10日—1852年11月27日，圖1-15），是著名英國詩人拜倫之女，數學家，計算機程序創始人，人稱“數字女王”，建立了循環和子程序概念。在1842年，阿達編寫了歷史上首款計算機程序，為計算程序擬定“算法”。她寫作了第一份“程序設計流程圖”，被視為“第一位給計算機寫程序的人”，對現代計算機與軟件工程產生了重大影響，

克勞德·艾爾伍德·香農（Claude Elwood Shannon，1916年4月30日—2001年2月24日，圖1-16）是美國數學家、信息論的創始人，與愛迪生有親緣關系。香農提出了信息熵的概念，為信息論和數字通信奠定了基礎。

1938年香農在MIT獲得電氣工程碩士學位，碩士論文題目是A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits（《繼電器與開關電路的符號分析》）。當時他已經注意到電話交換電路與布爾代數之間的類似性，即把布爾代數的“真”與“假”和電路系統的“開”與“關”對應起來，并用1和0表示。于是他用布爾代數分析并優化開關電路，這奠定了數字電路的理論基礎。哈佛大學的霍華德·加德納（Howard Gardner）教授說，“這可能是本世紀最重要、最著名的一篇碩士論文。”該論文將布爾代數的理論應用到開關電路的優化設計中，開創了開關電路設計的新思路。

艾倫·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing，1912年6月23日-1954年6月7日，圖1-17）是英國數學家、邏輯學家，被稱為“計算機之父”“人工智能之父”。1937年，圖靈在《倫敦數學會文集》第42期上發表了一篇論文，題為《論數字計算在決斷難題中的應用》，該文發表后，立即引起廣泛的注意。在論文的附錄里他描述了一種可以輔助數學研究的機器，后來被人稱為圖靈機，這是第一次在純數學的符號邏輯和實體世界之間建立了聯系。后來我們所熟知的計算機，以及還沒有實現的“人工智能”，都基于這個設想。這是他人生第一篇重要論文，也是他的成名之作。1937年，艾倫·麥席森·圖靈發表的另一篇文章《可計算性與λ可定義性》則拓廣了丘奇（Church）提出的“丘奇論點”，形成“丘奇-圖靈論點”，對計算理論的嚴格化、計算機科學的形成和發展都具有奠基性的意義。1950年，他提出關于機器思維的問題，他的論文《計算機和智能》（Computing Machiery and Intelligence），引起了廣泛的注意和深遠的影響。1950年10月，圖靈發表論文《機器能思考嗎》，這一劃時代的作品，使圖靈贏得了“人工智能之父”的桂冠。計算機業界設立的對于計算機發展作出重要貢獻的科學家的最高獎項“圖靈獎”就是以他的名字命名的。

馮·諾依曼（John von Neumann，1903—1957，圖1-13）是20世紀最重要的數學家之一，是在現代計算機、博弈論、核武器和生化武器等諸多領域內有杰出建樹的最偉大的科學全才之一，被后人稱為“計算機之父”和“博弈論之父”。1944年，馮·諾依曼成為ENIAC計算機研制小組的顧問，1945年發表了一個全新的“存儲程序通用電子計算機方案”，明確了計算機的五大部件包括：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備，并描述了這五部分的職能和相互關系，并提出了采用二進制的建議，認為計算機應該按程序順序執行，從而奠定了計算機結構至今乃在使用的馮·諾依曼體系結構。