2.1.1 計算機技術

計算機技術，泛指計算機領域中所應用的所有技術方法與手段，包括硬件技術、軟件技術、應用技術等，它具有較強的綜合性特征，不僅自身發展迅速，也極大地帶動了多個領域的進步。1946年，世界上第一臺通用電子計算機——ENIAC（Electronic Numberical Integrator and Calculator）誕生于美國費城的賓夕法尼亞大學摩爾學院。從名字就可以看出，ENIAC是一個“龐然大物”，擁有近18000只電子管，重量達到近30噸，占地面積約為1500平方英尺[1]，它當時主要用于計算火炮彈道，每秒鐘加減運算速度達到5000次左右，單次的彈道計算時間僅為30秒。這臺昂貴的電子自動計算機，雖然功能簡單、耗電量巨大，但卻無疑是電子計算機開發方向的里程碑，開啟了人類計算新時代。在它問世后，電子計算機發展異常迅速，并不斷更新換代。

電子計算機的每次更新換代都是以電子元件的更新為標志。第一代電子計算機，產生于20世紀40年代～50年代，基本電子元件是電子管，內存儲器是水銀延遲線。由于電子技術的限制，其運算速度僅為幾千～幾萬次/秒，存儲容量也只有幾千字節。整體來看，第一代電子計算機的體積大、耗電多、速度低、價格貴，基本只用于軍事部門和科研部門。

20世紀50年代～60年代，第二代晶體管計算機出現，晶體管計算機以晶體管取代電子管，內存材料也改為磁性材料。與第一代電子計算機相比，晶體管計算機的體積已經小了很多，耗電量和造價也大大降低，運算速度也達到10萬～100萬次/秒。

20世紀60年代～70年代，第三代集成電路計算機出現。半導體技術的發展大大促進了集成電路的發展，幾十上百個電子元件集成在幾平方毫米的基片上。1958年，美國德州儀器公司制造了第一塊半導體集成電路。1965年，集成電路計算機IBM-360研制成功。除了電子元件更新為中小規模的集成電路，其存儲器也更換為性能更好的半導體存儲器，其體積進一步縮小、價格降低、可靠性增強，運算速度達到幾十萬～幾百萬次/秒。不僅如此，基于第三代計算機的軟件也得到了快速發展，出現了更高級的計算機語言，成為計算機大規模生產應用的轉折點。

20世紀70年代中后期，集成電路規模進一步擴大，出現了第四代大規模集成電路計算機，電子元件的數量達到成千上萬個，運算速度達到幾百萬～上億次/秒，計算機向巨型計算機發展，但此時的巨型指的不是體積巨大，而是運算速度、存儲容量等性能更強大。目前我國的巨型計算機擁有量位居世界領先水平，主要應用于高科技領域、尖端技術領域研究?；谖⑻幚砥鞯奈⑿陀嬎銠C是第四代計算機技術的重要分支，具有更小的尺寸和更低的使用成本，它的出現大大加速了計算機在個體用戶的普及和計算機的商業化。

現代計算機的發展基于馮·諾依曼架構，計算和存儲功能分別由中央處理器和存儲器完成，中央處理器在執行命令前必須從存儲器讀取數據。這種串行方式在處理海量數據實時分析時往往性能不足，產生馮·諾依曼瓶頸。智能計算機、量子計算機等計算機前沿技術的發展突破了原本馮·諾依曼計算機結構模式的限制，推動了人工智能、專家推理等技術的進步，對人類社會的發展帶來了深遠影響。

在長期的更迭發展過程中，計算機也形成了相對穩定的系統結構，計算機系統主要由兩部分構成：硬件系統和軟件系統。硬件系統主要包括主機和外部設備，其中：主機又包括中央處理器和內存儲器；外部設備包括硬盤、軟盤等外部存儲器，鍵盤、鼠標等輸入設備，顯示器、打印機等輸出設備和其他設備。軟件系統包括系統軟件和應用軟件，系統軟件包括操作系統、程序語言處理系統、數據庫管理系統和服務程序，應用軟件可以分為通用應用軟件和專用應用軟件。

當前計算機技術性能逐漸增強，已經被廣泛應用于科學計算、自動控制、測量測試、信息處理、教育安全、醫療診斷等多個領域，大大降低了人力成本，提高了運行效率，極大地改善了人們的生活方式，已經成為推動國家經濟發展的重要動力。