1.1.1 任务描述

本任务主要介绍计算机的诞生与发展，中国计算机的发展史，计算机的发展趋势、特点，主要应用领域及分类等。通过本任务的学习，学生要了解计算机的发展史、发展趋势、特点、分类及应用领域。

1.1.2 相关知识

历史是未来的一面镜子。关注计算机的人都希望了解计算机的产生和发展的过程。在此，我们向前追溯到第一台电子多用途计算机——电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）诞生的日子，由此回顾和感受计算机“爆炸”般的冲击波。

1．计算机的诞生与发展

（1）第一台计算机的诞生。举世公认的第一台电子多用途计算机诞生于1946年。这台电子计算机叫作ENIAC。它的“出生地”是美国马里兰州的陆军试炮场。它采用穿孔卡来输入、输出数据，每分钟可以输入125张卡片，输出100张卡片。在ENIAC内部，总共安装了17 468只电子管，7 200只晶体二极管，7万个电阻器，1万个电容器和6 000多个开关，电路的焊接点多达50万个。ENIAC的机器表面布满了电表、电线和指示灯。ENIAC被安装在一排2.75 m高的金属柜里，占地面积为170 m ² 左右，总重量达30 t，如图1-1-1所示。

ENIAC有两个致命的弱点：一是计算程序需要靠外部的开关、继电器和插线来设置，因而存储量小；二是使用的电子管太多，功耗大，容易出故障，工作可靠性差。虽然如此，人们把ENIAC称为人类历史上的第一台电子多用途计算机。

美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼等人针对ENIAC在存储程序方面的弱点，提出了“存储程序控制”的通用计算机方案，设计制造了EDVAC（Electronic Discrete Varible Automatic Computer），即电子离散变量自动计算机。

（2）第一家计算机公司的诞生。世界上第一家以制造计算机为主的公司是埃克特与莫契利计算机公司（EMCC），公司创始人正是第一台电子多用途计算机的发明者莫契利与埃克特。1946年3月，莫契利和埃克特准备创办自己的公司。莫契利认为，上次人口普查已过去了4年，他们可以研制一台计算机卖给人口普查局。由于第二次世界大战后复苏计划的推动，人口普查局接受了这项提议，于1948年正式与他们签订了合同，埃克特与莫契利计算机公司由此诞生在美国费城一个临街的小楼里。

（3）晶体管的发明和第二代电子计算机。1958年，美国贝尔实验室研制出的世界上第一台全晶体管计算机（TRADIC），其共有800余只晶体管，功率为100 W，占地0.28 m ² ，如图1-1-2所示。

晶体管先声夺人，闯进了传统的电子管计算机领域。IBM（国际商业机器公司）的领导满腔热情地策划了该公司计算机换代的重大举措。他向各地IBM工厂和实验室发出指令：“从1956年10月1日起，我们将不再设计使用电子管的机器，所有的计算机和打卡机都要实现晶体管化。”3年后，IBM公司在它的计算机产品700系列后加上了一个0，全面推出晶体管的7000系列计算机。以晶体管为主要器件的IBM 7090型计算机，换下了诞生不到一年的IBM 709型电子管计算机，从1960年到1964年一直统治着科学计算的领域，并作为第二代电子计算机的典型代表，被永远地载入计算机的史册。

（4）集成电路的发明和第三代电子计算机。1958年德州仪器公司的工程师Jack Kilby发明了集成电路（IC），将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。更多的元件集成到单一的半导体芯片上，这使计算机体积更小、功耗更低、速度更快。1965年计算机开始采用中规模集成电路代替了第一代、第二代计算机中的分立元件，使用半导体存储器代替了磁芯存储器，中央处理器采用了微程序控制技术。IBM研制出计算机历史上最成功的机型之一的IBM S/360，被称为“蓝色巨人”。它具有较强的通用性，适用于各方面的用户。集成电路使第三代计算机脱胎换骨。

（5）大规模、超大规模集成电路和巨型机。克雷研究公司专攻巨型机。1971—1972年，享誉全球的超级计算机克雷1号（Cray-1）诞生，实现了当时绝无仅有的超高速——可持续保持每秒1亿次运算。然而，巨型机的体积却并不巨大，就像一套开口的沙发圈椅，靠背处立着12个一人高的“大衣橱”，占地不到7m2，重量不超过5t，共安装了约35万块集成电路，标志着巨型机也跨进了第四代计算机的行列。

从1985年至1988年，经过改进的克雷2号（Cray-2）和克雷3号（Cray-3）巨型机相继问世，并行结构使运算速度分别达到每秒12亿次和每秒160亿次。克雷的助手美籍华人陈世卿博士开发了另一种多处理器的巨型机克雷XMP，但与克雷的风格不同。20世纪80年代，克雷公司售出的巨型机占到全世界巨型机总数的70％。到了20世纪90年代初，克雷公司陆续推出高性能巨型计算机，速度已超过每秒240亿次。1996年12月，就在克雷1号来到洛斯阿拉莫斯20周年之际，该公司与图形计算机企业——硅图公司（SGI）合并，集两家公司的技术实力研制出一台具有256台处理器的巨型机，再次安装在美国国家实验室。据当时的相关报道，这个系统的处理器还将增加到4 096台，运算速度达到每秒钟3万亿次。美国能源部则宣布，下一个10年的目标是研制出每秒钟100万亿次运算速度的巨型计算机。

在ENIAC诞生后的短短70多年中，计算机所采用的基本电子元器件已经经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模和超大规模集成电路4个发展阶段，通常被称为计算机发展进程中的4个时代（见表1-1-1）。

随着集成电路的产生，集成度朝着中规模方向发展，使得计算机也朝着小型化、微型化的方向发展。1971年，Intel公司发布了具有4位并行处理能力的微处理器4004，标志着人类史上第一块微处理器诞生。它内部集成了约2 000只晶体管，采用P-MOS工艺技术制造，虽然它的面积不足1cm ² ，但它却具有比ENIAC更强大的计算能力，这开创了集成电路计算机的新时代。虽然在中规模集成电路板上的4004还不能算是完善的电子计算机芯片，但它集成了作为中央处理单元的大量逻辑电路。一块集成芯片代替了电子管或晶体管时代构成计算机的几千个单元电路。4004虽然只包含了46条基本指令，系统相对简单，但进行简单的控制还是合适的，因为当时并不需要太复杂的算术运算，而且在当时并不容易找到可编程的逻辑器件。

2．中国计算机的发展史

1958年，中科院计算所研制成功了我国第一台小型电子管通用计算机——103机（八一型），标志着我国第一台电子计算机的诞生。1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机（109乙机），之后推出109丙机，该机在两弹试验中发挥了重要作用。1974年，清华大学等单位联合设计、研制成功了采用集成电路的DJS-130小型计算机，其运算速度达每秒100万次。1983年，国防科技大学成功研制出运算速度每秒上亿次的银河-I巨型机，这是我国高速计算机研制的一个重要里程碑。1985年，电子工业部计算机管理局成功研制出了与IBM PC兼容的长城0520 CH微机。1992年，国防科技大学研制出银河-II通用并行巨型机，其峰值速度达每秒4亿次浮点运算（相当于每秒10亿次基本运算操作），为共享主存储器的四处理机向量机，其向量中央处理机是采用中小规模集成电路自行设计的，总体上达到20世纪80年代中后期国际先进水平，它主要用于中期天气预报。1993年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和基于标准UNIX操作系统设计开发的并行计算机。1995年，曙光公司又推出了国内第一台具有大规模并行处理机（MPP）结构的并行机——曙光1000（含36个处理机），其峰值速度为每秒25亿次浮点运算，实际运算速度上了每秒10亿次浮点运算这一高性能台阶。曙光1000与美国Intel公司1990年推出的大规模并行机体系结构的实现技术相近，与国外的差距缩小到了5年左右。1997年，国防科技大学研制成功银河-III百亿次并行巨型计算机系统，它采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构，由130多个处理节点组成，峰值速度为每秒130亿次浮点运算，系统综合技术达到20世纪90年代中期国际先进水平。1997年至1999年，曙光公司先后在市场上推出具有机群结构（Cluster）的曙光1000 A、曙光2000-I、曙光2000-II超级服务器，峰值速度已突破每秒1 000亿次浮点运算，机器规模已超过160个处理机。1999年，国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威I计算机通过了国家验收，并在国家气象中心投入运行。该系统有384个运算处理单元，峰值运算速度达每秒3 840亿次。2000年，曙光公司推出每秒3 000亿次浮点运算的曙光3000超级服务器。2001年，中科院计算所研制成功我国第一款通用CPU“龙芯”芯片。2002年，曙光公司推出完全自主知识产权的龙腾服务器。龙腾服务器采用了CPU“龙芯”1号，曙光公司和中科院计算所联合研发的服务器专用主板，以及曙光Linux操作系统。该服务器是国内第一台完全实现自有产权的产品，在国防、安全等部门发挥了重大作用。2003年，百万亿次数据处理超级服务器曙光4000 L通过国家验收，再一次刷新了国产超级服务器的历史纪录，使得国产高性能产业再上新台阶。2004年，由中科院计算所、曙光公司、上海超级计算中心三方共同研制的曙光4000 A实现了每秒10万亿次运算速度。2008年，“深腾7000”面世，它是国内第一个实际性能突破每秒百万亿次的异构机群系统，Linpack（线性系统软件包）性能突破每秒106.5万亿次。2008年9月16日，曙光5000 A在天津下线，实现峰值速度230万亿次、Linpack值180万亿次。作为面向国民经济建设和社会发展的重大需求的网格超级服务器，曙光5000 A可以完成各种大规模科学工程计算、商务计算。2009年6月，5000 A正式落户上海超算中心。2009年10月29日，中国首台千万亿次超级计算机“天河一号”诞生。2010年11月15日，经过一年时间全面的系统升级后，“天河一号”在第36届全球超级计算机五百强排名中夺魁。升级后的“天河一号”实测运算速度可达每秒2 570万亿次。2013年6月广州中心“天河二号”和2016年6月无锡中心“神威·太湖之光”先后登场，至2018年底，中国超算快速崛起并连续“霸榜”6年，令世界瞩目。目前，“天河一号”已经实现满负荷运行，每天并发在线的运行任务达到1 400多项，用户涵盖油气勘探、高端装备制造、药物研发、雾霾预警预报等领域的重点科研机构、企业等近1 600家。

3．计算机的发展趋势

从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家和地区都宣布开始新一代计算机的研究，并普遍认为新一代计算机应该是智能型的。它能模拟人的行为，理解人类自然语言，并继续向着巨型化、微型化、网络化、智能化及多媒体化的方向发展。

巨型化是指速度更快、存储容量更大和功能更强的巨型计算机。巨型计算机代表了一个国家科学技术和工业发展的水平。目前运行速度每秒几百亿次的巨型计算机已经投入使用，每秒上万亿次的巨型计算机也正在研制当中。巨型计算机主要应用在天文、气象、地质、航空和航天等尖端的科学技术领域。

微型化是指体积更小、价格更低、功能更强的微型计算机。各种便携式和手提式计算机已大量投入使用。

网络化是指计算机组成更广泛的网络，以实现资源共享及信息交换，如云计算、物联网等。

智能化是指使计算机可模拟人的感觉，具有类似人的思维能力，如推理、判断等。对智能化的研究包括模式识别、自然语言的生成与理解、定理自动证明、自动程序设计、学习系统和智能机器人等内容。

多媒体化是指计算机可同时处理数字、文字、图像、图形、视频及音频等多种信息。多媒体计算机将真正改善人机界面，可使计算机向接受和处理信息的最自然方式发展。

随着新的元器件及其技术的发展，新型的超导计算机、量子计算机、光子计算机、神经计算机、生物计算机和纳米计算机等在21世纪会走进人们的生活，遍布各个领域。

4．计算机的特点

计算机是现代社会最高级的计算工具之一，具有任何其他计算工具无法比拟的功能和特点，主要表现在以下5个方面。

（1）运算速度快。计算机运算速度较快，从最初的几千次/秒到现在已达亿亿次/秒，并会越来越快，这不仅大大加快了问题求解的速度，极大地提高了工作效率，而且使某些过去靠人工根本无法完成的工作有了完成的可能。

（2）存储容量大。计算机的外存储器（光盘、优盘、移动硬盘等）可以长期保存和记忆大量的信息，以备调用。目前，一台普通的微型计算机的外存储器，其存储容量可达到无限大，常用来存储信息的硬盘容量达到了500 GB、1 TB等。

（3）计算精度高。一般的计算工具（如计算器）都只有几位有效数字，而一般微型计算机的有效数字位数可达到十几位，必要时借助相应软件还可提高精度。

（4）逻辑判断力强。逻辑判断是计算机的又一基本功能，也是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。计算机可以对字母、符号、汉字、数字的大小和异同进行判断、比较，从而确定如何处理这些信息。另外，计算机还可以根据已知的条件进行判断和分析，确定要进行的工作。因此计算机可以广泛地应用到非数值数据处理领域，如信息检索、图形识别以及多媒体应用等。

（5）自动化程度高。冯·诺依曼结构的计算机思想是将程序预先存储在计算机中，计算机会依次取出指令并执行指令规定的程序，直到得出需要的结果，而不需人工干预。

另外，计算机还具有可靠性高、通用性强等特点。

5．计算机的主要应用领域

目前计算机已被广泛应用于人类社会的各个领域，不仅在自然科学领域得到了广泛的应用，而且已经进入社会科学的各个领域及人们的日常生活中。计算机的应用大致分为以下6个方面。

（1）科学计算。科学计算即数值计算，是计算机最早、最重要的应用领域。该领域对计算机的要求是速度快、精度高、存储容量大。

在科学研究和工程设计中，计算机处理复杂的数学计算问题，如核反应方程式、卫星运行轨道、材料的受力分析、天气预报等的计算，航天飞机、汽车、桥梁等的设计。有的计算是人工难以完成甚至无法完成的，使用计算机可以快速、及时、准确地获得所需结果。

（2）数据处理。所谓数据处理，是指利用计算机对各种数据进行收集、储存、分类、检索、排序、统计、报表打印输出等的一系列过程。数据处理也称事务管理，包括办公自动化（Office Automation，OA）和管理信息系统（Management Information System，MIS），如人事管理、财务管理、教务管理、设备管理、情报信息检索、人口普查等，目的是为各职能部门提供决策的依据。计算机在数据处理与信息加工方面的应用已深入社会的各个方面，节省了大量的人力，提高了管理质量和管理效率。

（3）过程控制。由于计算机具有一定的逻辑判断能力，从20世纪60年代起，它就在机械、电力、交通、石油化工及军事等领域中被用于监视和控制，从而提高了生产的安全性和自动化水平，提高了产品的质量，降低了成本，缩短了生产周期。

（4）计算机辅助系统。计算机辅助是指利用计算机代替人工进行一些复杂、繁重的劳动，以减少人的劳动强度，提高劳动效率。计算机辅助系统包括以下3个方面。

①计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）：利用计算机来辅助设计人员进行设计工作，如建筑设计、规划设计、工程设计、电路设计等。利用CAD技术可以提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平。

②计算机辅助制造（Computer-Aided Manufacturing，CAM）：利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。

③计算机辅助教育（Computer-Based Education，CBE）：包括计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）、计算机辅助测试（Computer-Aided Test，CAT）和计算机管理教学（Computer-Managed Instruction，CMI）。

● 计算机辅助教学，利用计算机帮助人们学习的系统，将教学内容、教学方法和学生的学习情况等存储在计算机中，使学生在轻松自如的环境中完成课程的学习。

● 计算机辅助测试，利用计算机来进行大量的、复杂的测试工作。

● 计算机管理教学，以计算机为主要处理手段所进行的教学管理活动，包括用计算机帮助教师监测和评价学生的学习进展情况，收集反映学生学习情况的各种信息，提供帮助教学决策的信息，指导学生的学习过程，存放和管理教学材料、教学计划及学生成绩记录，并向教师提供报告等。

（5）人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI）的主要目的是用计算机来模拟人的智能。目前主要的应用方面有：机器人（Robots）、专家系统（Expert System，ES）、模式识别（Pattern Recognition）及智能检索（Intelligent Retrieval）等。

（6）网络通信。计算机网络是计算机应用的一个重要领域。计算机网络的发展为计算机的应用提供了更为广阔的前景，如电子商务通过计算机网络技术，以电子交易为手段完成金融、物品、管理、服务、信息等价值的交换，快速而有效地进行各种商务（事务）活动。

计算机的应用已经渗透到科学技术的各个领域，并扩展到工业、农业、军事、商业以及家庭生活之中。但随着科学的飞速发展和全球范围内新技术革命的不断兴起，现有的计算机性能已经无法满足社会的需要，许多科学家认为以半导体材料为基础的集成技术已达到了无法突破的物理极限。要解决这个矛盾，必须开发新的材料，采用新的技术，于是人们正在积极探索和研制新一代的计算机，如生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机等，可以说，21世纪将是历史上最激动人心和最有希望的时代。

6．计算机的分类

计算机的分类方法有多种：按功能与用途可分为通用计算机与专用计算机；按组成原理可分为数字电子计算机、模拟电子计算机和混合电子计算机；按性能和规格可分为巨型机、大型机、中小型机、微型机和工作站。

当前，较普遍的分类方法是按性能分为五类，它们的功能及特点见表1-1-2。