模塊2
計算機基礎與應用

任務2.1　了解計算機的發展

2.1.1　學習要點

◆ 了解計算機的發展歷程

◆ 理解計算機發展代次的劃分

◆ 了解計算機的發展趨勢

2.1.2　知識準備

自從人類文明形成，就不斷地追求先進的計算工具。計算工具的演化經歷了由簡單到復雜、從低級到高級的不同階段，如從“結繩記事”中的繩結到算籌、算盤計算尺、機械計算機等。在西方，1625年英國人威廉·奧特發明計算尺。1642年，法國數學家帕斯卡發明機械計算器，用機械代替了人類的思考記錄，標志著人類開始向自動計算工具領域的邁進。

1854年，英國邏輯學家、數學家喬治·布爾設計了一套符號，表示邏輯理論中的基本概念，并規定了運算法則，建立了邏輯代數，為現代計算機采用二進制奠定了理論基礎。

1936年，英國數學家圖靈發表論文，給出了現代電子計算機的數學模型，從理論上證明了通用計算機產生的可能性。

1945年，美籍匈牙利數學家約翰·馮·諾依曼首先提出在計算機中存儲程序的概念，奠定了現代計算機的結構理論。

一般來說，人們習慣按照使用電子器件的不同，將現代計算機的發展分為四代，即電子管、晶體管、集成電路、大規模超大規模集成電路。

1. 第一代計算機（1946—1957年）

1946年，世界上出現了第一臺電子數字計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，電子數字積分器和計算器），如圖2-1所示。它是美國奧伯丁武器試驗場為了滿足計算彈道需要而研制成的。由美國賓夕法尼亞大學莫爾電工學院制造，其主要發明人是電氣工程師普雷斯波·埃克特（J. Prespen Eckert）和物理學家約翰·莫奇勒博士（John W. Mauchly）。它使用了18000只電子管、10000只電容、7000只電阻，體積達3000立方英尺，占地面積為170多平方米，消耗近150千瓦的電力，過去需要100多名工程師花費1年才能解決的計算問題，它只需要2個小時就能給出答案。

ENIAC的問世具有劃時代的意義，表明計算機時代的到來，在以后的40多年里，計算機技術發展異常迅速，人類科技史上還沒有一種學科可以與電子計算機的發展速度相提并論。

以ENIAC為代表的第一代計算機，其特點是用電子管作為基本電子器件，數據表示定點數；確立了程序設計的概念，使用機器語言或匯編語言；出現了初級的輸入/輸出（I/O）控制系統。

2. 第二代計算機（1958—1964年）

1954年，美國貝爾實驗室成功研制了第一臺晶體管電子計算機，取名“催迪克”（TRADIC），裝有800只晶體管。晶體管電子計算機誕生了，這是第二代電子計算機，如圖2-2所示。只要幾個大一點的柜子就可將它容下，運算速度也大大地提高了。

第二代計算機以晶體管為主要器件，內存所使用的器件大多使用鐵淦氧磁性材料制成的磁芯存儲器。外存儲器有磁盤、磁帶，外設種類也有所增加。軟件方面出現了操作系統和算法語言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等高級語言。它的運算速度可達每秒幾萬次至幾十萬次。

3. 第三代計算機（1965—1970年）

1959年2月6日，曾開發出第一臺晶體管收音機的TI公司的基爾比（Jack Kilby）向美國專利局申報了“半導體集成電路”的專利。在此之后出現的計算機是第三代集成電路計算機。

第三代計算機普遍采用集成電路，體積縮小，運算速度可達每秒幾十萬次至幾百萬次。由于采用了半導體存儲器作為主存，存儲器的容量與速度都有了革命性的突破，系統軟件也在這個階段有了很大發展，并且出現了計算機高級語言，如BASIC、PASCAL等。這個時期，計算機同時向標準化、多樣化、通用化、機種系列化發展，特別值得指出的是，在20世紀70年代后期出現了微型計算機，使計算機進入了大批量生產的階段。

4. 第四代計算機（1971至今）

從20世紀70年代開始，這是計算機發展的最新階段。到1976年，由大規模集成電路和超大規模集成電路制成的“克雷一號”，使計算機進入了第四代，以大規模和超大規模集成電路為主要器件，運算速度可達每秒幾百萬次至上億次。超大規模集成電路的發明，使電子計算機不斷向小型化、微型化、低功耗、智能化、系統化的方向更新換代，計算機的發展階段如表2-1所示。

從1946年第一臺存儲程序的電子計算機誕生之后，計算機技術的進步突飛猛進，雖然體積不斷變小，但性能、速度卻在不斷提高。然而，人類的追求是無止境的，一刻也沒有停止過研究更好、更快、功能更強大的計算機，計算機將朝著微型化、巨型化、多媒體化、網絡化和智能化方向發展。從目前的研究情況看，未來新型計算機將可能在下列幾個方面取得革命性的突破。

（1）光子計算機

光子計算機是一種由光信號進行數字運算、邏輯操作、信息存儲和處理的新型計算機。它主要由激光器、光學反射鏡、透鏡、濾波器等光學元件和設備構成，依靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行信息處理，以光子代替電子，光運算代替電運算。光的并行、高速決定了光子計算機的并行處理能力很強，具有超高運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統中某個元件損壞或出錯時，并不影響最終的計算結果。光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低，對環境條件的要求比電子計算機低得多。隨著現代光學與計算機技術、微電子技術相結合，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。

（2）生物計算機

生物計算機（仿生計算機），主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片來替代半導體硅片，利用有機化合物存儲數據。信息以波的形式傳播，當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，就會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。運算速度要比最新一代計算機快10萬倍，它具有很強的抗電磁干擾能力，并能徹底消除電路間的干擾。能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一，且具有巨大的存儲能力。生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能，自動修復芯片中發生的故障，還能模仿人腦的思考機制等。

（3）超導計算機

超導計算機是利用超導技術生產的計算機及其部件，其開關速度可達到幾微微秒/次，運算速度比現在的電子計算機要快，電能消耗量少。它早期的工作主要是延續傳統半導體計算機的設計思路，將半導體材料的邏輯門電路改為使用超導體材料的邏輯門電路，并且在20世紀80年代中期以前，超導材料的超導臨界溫度僅在液氦溫區，實施超導計算機計劃的費用昂貴。在1986年以后，高溫超導體的發現使人們可以在液氦溫區獲得新型超導材料，于是超導計算機的研究又獲得了各方面的廣泛重視。超導計算機具有超導邏輯電路和超導存儲器，其運算速度是傳統計算機無法比擬的。所以，世界各國科學家都在研究超導計算機，但還有許多技術難關有待突破。

（4）量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。它的主要特點有運行速度較快、處置信息能力較強、應用范圍較廣等。與一般計算機相比，信息處理量越多，對于量子計算機實施運算就越有利，也就更能確保其運算具備精準性。

2017年5月3日，中國科學院潘建偉團隊構建的光量子計算機實驗樣機的計算能力已超越了早期計算機。此外，中國科研團隊完成了10個超導量子比特的操縱，成功打破了世界上最大位數的超導量子比特的糾纏和完整測量的記錄。

（5）人工智能計算機

人工智能計算機不僅能模仿人類的左腦進行邏輯思維，而且能模仿人類的右腦進行形象思維，程序設計人員成功地把計算機設計得像人，來模擬人的思維、人的說話及人的感覺，以假亂真。未來的計算機與人類打交道將更加頻繁，所以讓計算機能夠理解人們的情感是很必要的。計算機必須能夠根據人的喜、怒、哀、樂等感情反應，來為其主人做出相應的決定。

（6）納米計算機

納米計算機指將納米技術運用于計算機領域所研制出的一種新型計算機。“納米”本是一個計量單位，采用納米技術生產芯片成本十分低廉，因為它既不需要建設超潔凈生產車間，也不需要昂貴的實驗設備和龐大的生產隊伍。只要在實驗室里將設計好的分子合在一起，就可以造出芯片，大大降低了生產成本。

2013年9月26日美國斯坦福大學宣布，人類首臺基于碳納米晶體管技術的計算機已測試運行成功，該項實驗的成功證明了人類有望在不遠的將來，完全可以擺脫當前硅晶體技術來生產新型的計算機設備。