下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
阿兰·图灵（Alan Turing）（见图 1-2），1912 年 6 月 23 日出生于英国伦敦，他被认为是 20 世纪最著名的数学家之一。1936 年，图灵作出了他一生最重要的科学贡献，在其著名的论文《论可计算数在判定问题中的应用（On Computer Numbers with an Application to the Entscheidungs-problem）》一文中，提出思考原理计算机—图灵机的概念。这篇论文被誉为现代计算机原理开山之作，它描述了一种假想的可实现通用计算的机器，后人称之为“图灵机”。
图 1-2 阿兰·图灵
计算机是人类制造出来的信息加工工具。如果说人类制造的其他工具是人类双手的延伸，那么计算机作为代替人脑进行信息加工的工具，则可以说是人类大脑的延伸。最初真正制造出来的计算机是用来解决数值计算问题的。第二次世界大战后期，当时为军事目的进行的一系列破译密码和弹道计算工作越来越复杂。大量的数据、复杂的计算公式，即使使用电动机械计算器也要耗费相当的人力和时间。在这种背景下，人们开始研制电子计算机。
世界上最早的计算机“科洛萨斯”诞生于英国，“科洛萨斯”计算机是 1943 年 3 月开始研制的，当时研制“科洛萨斯”计算机的主要目的是破译经德国“洛伦茨”加密机加密过的密码。使用其他手段破译这种密码需要 6 至 8 个星期，而使用“科洛萨斯”计算机则仅需 6至 8 个小时。1944 年 1 月 10 日，“科洛萨斯”计算机开始运行。自它投入使用后，德军大量高级军事机密很快被破译，盟军如虎添翼。
1944 年，美国国防部门组织了由莫奇来和爱克特领导的ENIAC计算机研究小组，当时在普林斯顿大学工作的现代计算机的奠基者，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼也参加了研究工作。冯·诺依曼发现ENIAC有两个致命的缺陷：一是采用十进制运算，逻辑元件多，结构复杂，可靠性低；二是没有内部存储器，操纵运算的指令分散存储在许多电路部件内，这些运算部件如同一副积木，解题时必须像搭积木一样用人工把大量运算部件搭配成各种解题的布局，每算一题都要搭配一次，非常麻烦且费时。针对这两个问题，冯·诺依曼和其他合作者一起呕心沥血地进行了半年多时间的改革性研究，结果取得了令人满意的成果。但是，由于ENIAC的制造已接近尾声，因此未能采用冯·诺依曼的改进意见。
1946 年 2 月 14 日，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）宣告研制成功。这台用 18 000 根电子管组成的计算机，尽管体积庞大，耗电量惊人，功能有限，但是确实起到了节约人力、节省时间的作用，而且开辟了一个计算机科学技术的新纪元。这也许是连制造它的科学家们也始料不及的。
冯·诺依曼的研究成果得到了ENIAC研制小组专家的青睐，他们在ENIAC尚未竣工之前，就着手计划一个结构全新的电子计算机方案—EDVAC计算机。1945 年 6 月底，由冯·诺依曼执笔写出了EDVAC计划草案。在这个方案中，诺依曼提出了在计算机中采用二进制算法和设置内存储器的理论，并明确规定了电子计算机必须由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分构成的基本结构形式。他认为，计算机采用二进制算法和内存储器后，指令和数据便可以一起存放在存储器中，并可作同样处理，这样，不仅可以使计算机的结构大大简化，而且为实现运算控制自动化和提高运算速度提供了良好的条件。EDVAC于1952 年建成，它的运算速度与ENIAC相似，而使用的电子管却只有 5 900 多个，比ENIAC少得多。EDVAC的诞生，使计算机技术出现了一个新的飞跃。它奠定了现代电子计算机的基本结构，标志着电子计算机时代的真正开始。
冯·诺依曼被人们称为“现代电子计算机之父”。根据冯·诺依曼提出的存储程序和程序控制原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机，现代计算机虽然结构更加复杂，计算能力更加强大，但仍然是基于这一原理设计的，也称为冯·诺依曼机。
1．计算机的发展
现代计算机的诞生是 20 世纪人类最伟大的发明创造之一。经历了半个多世纪的发展，计算机已经成为信息处理系统中最重要的一种工具，它承担着信息加工、信息存储、信息传递的任务，在感测、识别、控制和显示等技术方面都起着重要的作用。
从 1946 年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机已经走过了半个多世纪的发展历程。在微电子技术的进展和计算机应用需求的强力推动下，计算机的发展速度远远超出了人们的预料。计算机在速度、功能、体积、成本和应用方面都取得了飞跃的进步。
从 20 世纪 50 年代至 70 年代，计算机的应用模式主要依赖于大型计算机的“集中计算模式”，80 年代由于个人计算机的广泛使用而演变为“分散计算模式”，90 年代起由于计算机网络的发展，使计算机的应用进入了“网络计算模式”。在这种模式下，用户不仅使用自己的计算机进行信息处理，而且还能从网络获取他所需要的硬件、软件和数据资源。
20 世纪 90 年代开始，计算机在提高性能、降低成本、普及和深化应用等方面快速发展，人们研究开发的计算机系统，主要着眼于计算机的智能化，它以知识处理为核心，可以模拟或部分替代人的智能活动，具有自然的人机通信能力。
根据计算机所使用的电子元器件，一般把电子计算机的发展分成几个时期，也称为几代，分别代表了时间顺序发展过程。第 1～4 代计算机主要特点对比如表 1-1 所示。
表 1-1 第 1～4 代计算机的对比
2．计算机的应用
自第一台电子计算机诞生以来，人们一直在探索计算机的应用模式，尝试着利用计算机去解决各领域中的问题。
归纳起来，计算机的应用主要有以下几方面。
（1）科学计算，也称数值计算，是指用计算机来解决科学研究和工程技术中所提出的复杂的数学问题。
（2）信息处理，也称数据处理或事务处理。人们利用计算机进行信息的收集、存储、加工、分类、检索、传输和发布，最终目的是将信息资源作为管理和决策的依据。办公自动化（Office Automation，OA）就是计算机信息处理的典型应用。目前，计算机在信息处理方面的应用已占所有应用的 80%左右。
（3）自动控制。利用计算机对动态的过程进行控制、指挥和协调。用于自动控制的计算机要求可靠性高、响应及时。计算机先将模拟量如电压、温度、速度、压力等，转换成数字量，然后进行处理，计算机处理后输出的数字量再经过转换，变成模拟量去控制对象。
（4）计算机辅助系统。计算机辅助系统有计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助测试（Computer Aided Test，CAT）、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）和计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）等。
（5）人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）又称“智能模拟”。简单地说，就是要使计算机能够模仿人的高级思维活动。人工智能的研究课题是多种多样的。诸如计算机学习、计算机证明、景物分析、模拟人的思维过程、机器人等。
1．计算机发展的五个方向
（1）巨型化。天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算，要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量，这就需要研制功能更强的巨型计算机。
（2）微型化。微型计算机已经广泛应用于仪器、仪表和家用电器中，并大量进入办公室和家庭。但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型计算机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型计算机和掌上微型计算机正在不断涌现，迅速普及。
（3）网络化。将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接，就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网（Internet）就是一个通过通信线路连接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网，人们足不出户就可获取大量的信息，与世界各地的亲友快捷通信，进行网上贸易等。
（4）智能化。目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动，因此也常被称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，例如：能听懂人类的语言、能识别图形、会自主学习等。
（5）多媒体化。多媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术，来综合处理多种媒体信息的计算机，这些信息包括数字、文本、声音、视频、图形图像等。多媒体技术使多种信息建立了有机的联系，集成为一个系统，并具有交互性。多媒体计算机将真正改善人机界面，使计算机朝着更卓越的方向发展。
2．未来的新型计算机
许多科学家认为以半导体材料为基础的集成技术日益走向它的物理极限，要解决这个矛盾，必须开发新的材料，采用新的技术。于是，人们努力探索新的计算材料和计算技术，致力于研制新一代的计算机，如生物计算机、光计算机和量子计算机等。
（1）高速计算机
美国发明了一种利用空气的绝缘性能来成倍提高计算机运行速度的新技术。纽约斯雷尔保利技术公司的科学家已经生产出一套新型计算机微电路，该电路的芯片或晶体管之间由胶滞体包裹的导线连接，这种胶滞体 90%的物质是空气，而空气是不导电的，是一种非常优良的绝缘体。
研究表明，计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输的速度直接相关，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分信号，从而延长了信息传输的时间。保利技术公司研制的“空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息。此外，它还可以降低电耗，而且不需要对计算机的芯片进行任何改造，只需换上“空气胶滞体”导线，就可以成倍地提高计算机的运行速度。
不过，这种“空气胶滞体”导线也有不足之处，主要是其散热效果较差，不能及时将计算机中电路产生的热量散发出去。为了解决这个问题，保利技术公司的科研小组研究出计算机芯片冷却技术，它在计算机电路里内置了许多装着液体的微型小管，用来吸收电路散发出的热量。当电路发热时，热量将微型管内的液体汽化，当这些汽化物扩散到管子的另一端之后，又重新凝结，流到管子底中。据悉，美国宇航局（NASA）将对该项技术进行太空失重状态下的实验，如果实验成功，这种新技术将被广泛应用于未来计算机，使计算机的运算速度得以大大提高。
不久前，美国IBM公司为美国国家超级计算机应用中心制造了两台IBM Linux集群计算机，每秒钟可执行 2 万亿次浮点运算，是迄今为止运算速度最快的Linux超级计算机。1997 年IBM“深蓝”计算机因战胜国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫而声名大噪，之后IBM性能强大的超级计算机便开始为世人所瞩目，而运算性能更出色的“更深的蓝”和ASCIWHhite也相继问世。
（2）生物计算机
生物计算机在 20 世纪 80 年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快 10 万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的 1/10，并且拥有巨大的存储能力。由于蛋白分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。
国内首次公诸于世的生物计算机被用来模拟电子计算机的逻辑运算，解决虚构的 7 个城市间最佳路径问题。不久前，200 多名各国计算机学者齐聚普林斯顿大学，联名呼吁向生物计算机领域进军。
科学家们在生物计算机研究领域已经有了新的进展，预计在不久的将来，就能制造出分子元件，即通过在分子水平上的物理化学作用对信息进行检测、处理、传输和存储。目前，科学家们已经在超微技术领域取得了某些突破，制造出了微型机器人。科学家们的长远目标是让这种微型机器人成为一部微小的生物计算机，它们不仅小巧玲珑，而且可以像微生物那样自我复制和繁殖，可以钻进人体里杀死病毒，修复血管、心脏、肾脏等内部器官的损伤，或者使引起癌变的DNA突变发生逆转，从而使人们延年益寿。
（3）光学计算机
所谓光学计算机，就是利用光作为信息的传输媒体。与电子相比，光子具有许多独特的优点：它的速度永远等于光速、具有电子所不具备的频率及偏振特征，从而大大提高了传载信息的能力。此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰、互相影响。一块直径仅 2cm的光棱镜可通过的信息比特率可以超过全世界现在全部电缆总和的 300 多倍。光学计算机的智能水平也将远远超过电子计算机的智能水平，是人们梦寐以求的理想计算机。
我们将利用光的传播速度比电子速度快的原理制成的这种更加先进的计算机称为“光脑”。20 世纪 90 年代中期，光脑的研究成果像雨后春笋般不断涌现，各国科研机构、大学都投入了大量的人力、物力从事此项技术的研究，其中最显著的研究成果是由法国、德国、英国、意大利等国 60 多名科学家联合研发成功的世界上第一台光脑。该台光脑的运算速度比目前速度最快的超级计算机快 1 000 多倍，并且准确性极高。
此外，光脑的并行处理能力非常强，具有超高速的运算速度，在这方面计算机真是望尘莫及。在工作环境要求方面，超高速的计算机只能在低温条件下工作，而光脑在室温下就能正常工作。另外，光脑的信息存储量大，抗干扰能力非常强，在任何恶劣环境条件下都可以开展工作。光脑还具有与人脑相似的容错性，如果系统中某一元件遭到损坏或运算出现局部错误时，并不影响最终的计算结果。目前光脑的许多关键技术，如光存储技术、光存储器、光电子集成电器等都已取得重大突破。
（4）量子计算机
在人类刚进入 21 世纪之际，量子力学花开二度，科学家们根据量子力学理论，在研制量子计算机的道路上取得了新的突破。美国科学家宣布，他们已经成功地实现了 4 量子位逻辑门，取得了 4 个锂离子的量子缠结状态。这一成果意味着量子计算机如同含苞欲放的蓓蕾，必将开出绚丽的花朵。