1.2.1　計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生及發(fā)展歷程

1.計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

在漫長的人類進(jìn)化和文明發(fā)展過程中，人類的大腦逐漸具備了一種特殊的本領(lǐng)，這就是把直觀的形象變成抽象的數(shù)字，進(jìn)行抽象思維活動，在這一過程中，人類才逐步創(chuàng)造和發(fā)展了計(jì)算工具。

人類最初的計(jì)算工具就是雙手，掰指頭算數(shù)是最早的計(jì)算方法。一個(gè)人有10個(gè)手指，因此十進(jìn)制數(shù)也就自然成了人類最熟悉的進(jìn)制計(jì)數(shù)法。嚴(yán)格意義上講，人類社會早期，沒有真正的計(jì)算工具，也沒有復(fù)雜的計(jì)算需要，人們僅僅停留在“計(jì)數(shù)”階段。由于雙手的局限性，人們開始利用“可數(shù)”的東西進(jìn)行計(jì)數(shù)，例如，利用“小石子”“結(jié)繩”計(jì)數(shù)等。

唐末宋初，發(fā)明了人類歷史上第一種計(jì)算工具——算盤，它通過“算珠”的多少進(jìn)行“計(jì)數(shù)”，通過“算珠”及其位置的變化實(shí)現(xiàn)計(jì)算。許多人也將其稱為“手動計(jì)算機(jī)”，珠算口訣也被視為最早的體系化算法。算盤結(jié)合了十進(jìn)制計(jì)數(shù)法和一整套計(jì)算口訣，其設(shè)計(jì)簡單，操作易行，極具智慧，發(fā)明后出現(xiàn)許多變種，并以極強(qiáng)的生命力沿續(xù)下來，直至今日仍在加減運(yùn)算和教育啟智領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的一些雛型思想。

1642年，機(jī)械計(jì)算機(jī)出現(xiàn)；1654年，計(jì)算尺產(chǎn)生；1887年，電動計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，計(jì)算工具使用了電能，已和現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)有了一定“血緣”關(guān)系。然而這些計(jì)算工具都有其設(shè)計(jì)和使用上的致命缺點(diǎn)：一是不能自動運(yùn)算；二是不能存儲。現(xiàn)已基本被淘汰。

研制和開發(fā)新的計(jì)算工具的工作在不斷地進(jìn)行著。第二次世界大戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)各國為加強(qiáng)軍備競賽，在開發(fā)和研制新武器的過程中，涉及彈道軌跡和角度的大量、復(fù)雜的計(jì)算，這時(shí)研制人員比任何時(shí)候都更迫切需要一種新的計(jì)算工具來輔助研究工作，并使他們從大量的計(jì)算中解脫出來。于是，一些較為發(fā)達(dá)的資本主義國家為其投入了大量的人力、物力來研制和開發(fā)新的計(jì)算機(jī)工具，并不斷取得進(jìn)展。

1946年，人類第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生，它的出現(xiàn)，掀開了人類歷史特別是科技發(fā)展史的新的一頁，人們甚至把它譽(yù)為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志。它的出現(xiàn)是計(jì)算工具不斷發(fā)展的結(jié)果。

第一臺計(jì)算機(jī)可謂龐然大物，如圖1-1所示。它用了18000個(gè)電子管（早期使用的一種被封閉在玻璃容器中的電信號放大器件）、1500個(gè)繼電器（用較小電流去控制較大電流的一種“電子開關(guān)”），占地約170 m2、重約30t，功率為150kW，運(yùn)算速度5000次/s（每秒做加法的次數(shù)），造價(jià)48萬美元（相當(dāng)于現(xiàn)在的1000多萬美元），僅運(yùn)行了10年就被送入了博物館。很顯然，如果計(jì)算機(jī)沒有飛速發(fā)展，今天的普及使用是不可能的。

我國于1958年成功研制出了第一臺電子計(jì)算機(jī)；1964年生產(chǎn)出第一臺晶體管計(jì)算機(jī)；1971年研制成功集成電路計(jì)算機(jī)。1983年、1992年、1997年分別研制出了銀河Ⅰ型、銀河Ⅱ型、銀河Ⅲ型每秒上億次、上十億次、上百億次計(jì)算機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，2001年成功研制“曙光3000”巨型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度4000億次/s；2004年“曙光4000A”運(yùn)算速度10.2萬億次/s；2008年“曙光5000A”運(yùn)算速度230萬億次/s，如圖1-2所示。

2009年研制成功的超級計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)上千萬億次/s，2010年11月“天河一號”以4.7千萬億次/s的峰值速度，首次登上超級計(jì)算領(lǐng)域的世界之巔。“天河一號”的誕生，是我國高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展史上新的里程碑，是我國戰(zhàn)略高新技術(shù)和大型基礎(chǔ)科技裝備研制領(lǐng)域取得的又一重大創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)了我國自主研制超級計(jì)算機(jī)能力從百萬億次到千萬億次的跨越，使我國成為繼美國之后世界上第二個(gè)能夠研制千萬億次超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的國家。2013年11月18日，國際TOP500組織公布了最新全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜榜單，中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度5.49億億次/s、持續(xù)計(jì)算速度3.39億億次/s雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，成為全球最快的超級計(jì)算機(jī)。目前，我國在高性能計(jì)算機(jī)的研制領(lǐng)域仍保持著較高水平。

2.計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段

自第一臺計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，計(jì)算機(jī)得到了飛速發(fā)展，在今天的計(jì)算機(jī)上已很難找到第一臺計(jì)算機(jī)的蹤影，這足以看出計(jì)算機(jī)發(fā)展速度之快。然而由于元器件的制約，其發(fā)展過程也是漸進(jìn)的。人們根據(jù)計(jì)算機(jī)所采用的邏輯元器件的演變，將電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致分為了四個(gè)階段，見表1-1。

第一階段：第一代電子管時(shí)代計(jì)算機(jī)（1946—1955）。這一代計(jì)算機(jī)使用了大量的電子管元件，使得計(jì)算機(jī)成本高，體積龐大，耗電量高，性能不夠穩(wěn)定，維護(hù)普及極為困難。

第二階段：第二代晶體管時(shí)代計(jì)算機(jī)（1956—1963）。由于晶體管這種電子元件的出現(xiàn)，這個(gè)時(shí)代的計(jì)算機(jī)普遍采用了晶體管元件，使得計(jì)算機(jī)成本、體積、耗電量都有了進(jìn)一步降低，性能更為穩(wěn)定，運(yùn)算速度大大得到提高。這一時(shí)期出現(xiàn)高級程序設(shè)計(jì)語言，如FORTRAN、ALGOL、COBOL等語言，計(jì)算機(jī)應(yīng)用也擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中。

第三階段：第三代中小規(guī)模集成電路時(shí)代計(jì)算機(jī)（1964—1970）。1964年4月，IBM公司推出了采用新概念設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)IBM 360，宣布了第三代計(jì)算機(jī)的誕生。正像它名字中的數(shù)字所表示的那樣，IBM 360有360°全方位的應(yīng)用范圍。

這一時(shí)期，由于半導(dǎo)體芯片及集成技術(shù)的出現(xiàn)，使集成電路得到了廣泛運(yùn)用，大量的分離元件都做到集成電路中，計(jì)算機(jī)元器件趨于穩(wěn)定與成熟，計(jì)算機(jī)性能得到了強(qiáng)有力的提升。計(jì)算機(jī)開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

第四階段：第四代大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代計(jì)算機(jī)（1971年至今）。1971年11月5日，Intel公司的霍夫（Marcian E.Hoff）研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片MPU（microprocessing unit）Intel 4004，并由它組裝成第一臺微型計(jì)算機(jī)MCS-4，由此揭開了微型計(jì)算機(jī)普及的序幕。計(jì)算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的ENIAC，每秒執(zhí)行6萬條指令。1974年4月1日，Intel公司發(fā)布了8位微處理器芯片8080。12月，計(jì)算機(jī)愛好者埃德·羅伯茨利用8080微處理器設(shè)計(jì)出一款體積很小的計(jì)算機(jī)“Altair 8800”，這也是世界上第一臺商用個(gè)人計(jì)算機(jī)，內(nèi)存只有256B。與此同時(shí)，羅伯茨首次創(chuàng)造性地提出了PC（personal computer）這個(gè)嶄新的概念，預(yù)示著微型計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。同年，當(dāng)時(shí)還在哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的比爾·蓋茨（Bill Gates）和保羅·艾倫（Paul Allen）開始用BASIC語言第一個(gè)為Altair計(jì)算機(jī)撰寫各種程序。1975年，兩人創(chuàng)辦了今天大名鼎鼎的微軟公司。