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在人类文明发展的历史长河中，计算机工具经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程。如绳结、算筹、算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机、电子计算机等，它们在不同的历史时期发挥了各自的作用，而且也孕育了电子计算机的设计思想和雏形。本节介绍计算机的发展历程、特点、应用、分类和发展趋势。
第二次世界大战爆发带来了强大的计算需求。宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫克利和他的研究生埃克特计划采用真空管建造一台通用电子计算机，帮助军方计算弹道轨迹。1943年，这个计划被军方采纳，莫克利和艾克特开始研制电子数字积分计算机（Electronic Numerical And Calculator，ENIAC），并于1946年研制成功。ENIAC如图1.1所示。
图1.1 第一台电子数字计算机ENIAC
ENIAC的主要元件是电子管，每秒钟能完成5 000次加法运算，300多次乘法运算，比当时最快的计算工具快了300倍。该机器使用了1 500个继电器、18 800个电子管，占地170平方米，重达30多吨，耗电150千瓦，耗资40万美元，真可谓“庞然大物”。用ENIAC计算题目时，首先要根据题目的计算步骤预先编号一条条指令，再按指令连接好外部线路，然后启动它自动运行并输出结果。当要计算另一个题目时，必须重复进行上述工作，所以只有少数专家才能使用。尽管这是ENIAC的明显弱点，但它使过去要借助机械分析机用7到20小时才能计算一条弹道的工作时间缩短到30秒，使科学家们从奴隶般的计算中解放出来。至今人们仍然公认，ENIAC的问世标志了计算机时代的到来，它的出现具有划时代的伟大意义。
ENIC被广泛认为是世界上第一台现代意义上的计算机，美国人也一直为这一点而骄傲。不过直到现在，英国人仍然认为，由著名的应该数学家图灵帮助设计的，于1943年投入使用的一台帮助英国政府破译截获密电的电子计算机COLOSSUS才是世界上的第一台电子计算机。英国人认为，之所以COLOSSUS没有获得“世界第一”的殊荣，是因为英国政府将它作为军事机密，多年来一直守口如瓶的缘故。究竟谁是“世界第一”对于我们并不重要，重要的是他们卓越的研究改变了这个世界。
ENIAC证明电子真空管技术可以大大提高计算速度，但ENIAC本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，电路连线烦琐耗时，要花几个小时甚至几天时间，在很大程度上抵消了ENIAC的计算速度。为此，莫克利和埃克特不久后开始研制新的机型——电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）。几乎与此同时，ENIAC项目组的一个研究人员冯·诺依曼来到了普林斯顿高级研究院（Institute for Advanced Study，IAS），开始研制他自己的EDVAC，即IAS（是当时最快的计算机）。这位美籍匈牙利数学家归纳了EDVAC的主要特点如下：
（1）计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中。
（2）程序和数据存放在存储器中，即程序存储的概念。计算机执行程序时，无须人工干预，能自动、连续的执行程序，并得到预期的结果，即存储程序控制原理。
根据冯·诺依曼的原理和思想，决定了计算机必须有输入、存储、运算、控制和输出五个组成部分。
IAS计算机对EDVAC进行了重大的改进，成为现代计算机的基本雏形。今天计算机的基本结构仍采用冯·诺依曼的原理和思想，所以人们称符合这种设计的计算机为冯·诺依曼机，冯·诺依曼也被誉为“现代电子计算机之父”。
从第一台电子计算机诞生至今的近70年中，计算机技术以前所未有的速度迅猛发展。一般根据计算机所采用的物理器件，将计算机的发展分为如下几个阶段，如表1.1所示。
表1.1 计算机发展的四个阶段
第一代计算机是电子管计算机（1946—1958年），硬件方面，逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线电子管数字计算机、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用的是磁带。软件方面采用的是机器语言、汇编语言。特点是体积庞大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般为每秒几千次至几万次）、成本高、内存容量小，主要用于军事和科学研究工作。UNIVAC-I（UNIVersal Automatic Computer，通用自动计算机）是第一代计算机的代表。第一台产品于1951年交付美国人口统计局使用。它的交付使用标志着计算机从实验室进入了市场，从军事应用领域转入了数据处理领域。
第二代晶体管计算机（1958—1964年）采用晶体管作为基本物理器件。与第一代计算机相比，晶体管计算机体积小、成本低、功能强、可靠性高。与此同时，计算机软件也有了较大的发展，出现了监控程序并发展成为后来的操作系统，高级程序设计语言Basic、FORTRAN和COBOL的推出使编写程序的工作变得更为方便并实现了程序兼容，同时使计算机工作的效率大大提高。除了科学计算机外，计算机还用于数据处理和事务处理。IBM-7000系列机是第二代计算机的代表。
第三代计算机的主要元件是小规模集成电路（Small Scale Integrated circuits，SSI）和中规模集成电路（Medium Scale Integrated circuits，MSI）（1964—1970年）。所谓集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是用特殊的工艺将完整的电子线路制作在一个半导体硅片上形成的电路。与晶体管计算机相比，集成电路计算机的体积、重量、功耗都进一步减小，运算速度、逻辑运算功能和可靠性都进一步提高。硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。软件方面，操作系统进一步完善，高级语言种类增多，提出了结构化、模块化的程序设计思想，出现了结构化的程序设计语言Pascal，出现了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。计算机的可靠性和存储容量进一步提高，外部设备种类繁多，使计算机和通信技术密切结合起来，广泛地应用到科学计算、数据处理、事务管理、工业控制等领域。这一时期的计算机同时向标准化、多样化、通用化、机种系列化方向发展。IBM-360系列是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机。
第四代计算机的特征是采用大规模集成电路（Large Scale Integrated circuits，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated circuits，VLSI）（1970年至今）。计算机重量和耗电量进一步减少，计算机性能价格比基本上以每18个月翻一番的速度上升，符合著名的摩尔定律。操作系统向虚拟操作系统发展，各种应用软件产品丰富多彩，大大扩展了计算机的应用领域。IBM4300系列、3080系列、3090系列和9000系列是这一时期的主流产品。
随着集成度更高的特大规模集成电路（Super Large Scale Integrated circuits，SLSI）技术的出现，使计算机朝着微型化和巨型化两个方向发展。尤其是微处理器的发明使计算机在外观、处理能力、价格以及实用性等方面发生了深刻的变化。20世纪70年代后期出现的微型计算机体积小、重量轻、性能高、功耗低、价格便宜，使得计算机异军突起，以迅猛的态势渗透到工业、教育、生活等各个领域。
由于集成技术的发展，半导体芯片的集成度更高，每块芯片可容纳数万乃至数百万个晶体管，并且可以把运算器和控制器都集中在一个芯片上、从而出现了微处理器，并且可以用微处理器和大规模、超大规模集成电路组装成微型计算机，就是人们常说的微电脑或PC机。微型计算机体积小，价格便宜，使用方便，但它的功能和运算速度已经达到甚至超过了过去的大型计算机。另一方面，利用大规模、超大规模集成电路制造的各种逻辑芯片，已经制成了体积并不很大，但运算速度可达一亿甚至几十亿次的巨型计算机。
我国在1956年，由周恩来总理亲自提议、主持、制定我国《十二年科学技术发展规划》，选定了“计算机、电子学、半导体、自动化”作为“发展规划”的四项内容，并制定了计算机科研、生产、教育发展计划。我国由此开始了计算机研制的起步。
1958年研制出第一台电子计算机；
1965年研制出第二代晶体管计算机；
1974年研制出第三代集成电路计算机；
1977年研制出第一台微机DJS-050；
1983年研制成功“银河-I”超级计算机，运行速度超过1亿次/秒；
2001年成功制造出首枚高性能通用CPU——龙芯一号；
2003年12月，我国自主研发出百万亿次曙光4000L超级服务器；
2009年，国防科大研制出“天河一号”，其峰值运算速度达到千万亿次/秒；
2013年，国防科大研制出“天河二号”，其峰值运算速度达到亿亿次/秒，成为第41届世界超级计算机500强中第一名；
2016年6月，由国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”称为世界上第一台突破10亿亿次/秒的超级计算机，创造了速度、持续性、功耗比三项指标世界第一，至此中国已连续4年占据全球超算排行榜的最高席位。2017年再次斩获世界超级计算机排名榜单TOP500第一名。到2020年6月，全球超级计算机TOP500榜单公布，神威·太湖之光排名第四。
计算机能够按照程序确定的步骤，对输入的数据进行加工处理、存储或传送，以获得期望的输出信息，从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率以及改善人们的生活质量。计算机之所以具有如此强大的功能，能够应用于各个领域，这是有它的特点决定的。
计算机主要具有以下一些特点。
1）高速、精确的运算能力
目前世界上已经有超过每秒10亿亿次运算速度的计算机。2016年6月公布的全球超级计算机500强排名显示，我国的“神威·太湖之光”以最快的速度排名世界第一，其实测运算速度最快可以达到每秒12.54亿亿次，是排名第二的“天河二号”超级计算机速度的2.28倍。
2）准确的逻辑判断能力
计算机能够进行逻辑处理，也就是说它能够“思考”。这是计算机科学界一直为之努力实现的，虽然它现在的“思考”只局限在某一个专门的方面，还不具备人类思考的能力，但在信息查询等方面，已能够根据要求进行匹配检索，这已经是计算机的一个常规应用。
3）强大的存储能力
计算机能储存大量数字、文字、图像、视频、声音等各种信息，“记忆力”大得惊人，如它可以轻易地“记住”一个大型图书馆的所有资料。计算机强大的储存能力不但表现在容量大，还表现在“长久”。对于需要长期保存的数据和资料，无论是以文字形式还是以图像的形式，计算机都可以长期保存。
4）自动功能
计算机可以将预先编好的一组指令（称为程序）先“记”下来，然后自动地逐条取出这些指令并执行，工作过程完全自动化，不需要人的干预，而且可以反复进行。
5）网络与通信功能
计算机技术发展到今天，不仅可将一个个城市的计算机连成一个网络，而且能将一个个国家的计算机连在一个计算机网上。目前最大、应用范围最广的“国际互联网”（Internet）连接了全世界200多个国家和地区数亿台的各种计算机。在网上的所有计算机用户可共享网上资料、交流信息、互相学习，将世界变成地球村。
计算机网络功能的重要意义是：他改变了人类交流的方式和信息获取的途径。
计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”也因此而得名。而今的计算机几乎和所有学科相结合，在经济社会各方面起着越来越重要的作用。我国的计算机工业虽然起步较晚，但在改革开放后取得了很大的发展，缩短了与世界的距离。现在，计算机网路在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各个领域得到了广泛的应用。
1）科学计算
科学计算主要是使用计算机进行数学方法的实现和应用。今天，计算机“计算”能力的提高推进了许多科学研究的进展，如著名的人类基因序列分析计划、人造卫星的轨道测算等。国家气象中心使用计算机，不但能够快速及时地对气象卫星云图数据进行处理，而且可以根据对大量历史气象数据的计算进行天气预测。在网络应用越来越深入的今天，“云计算”也将发挥越来越重要的作用。所以，这些在没有使用计算机之前是根本不可能实现的。
2）数据/信息处理
数据/信息处理也称为非数值计算。随着计算机科学技术的发展，计算机的数据不仅包括“数”，而且包括更多的其他数据形式，如文字、图像、声音等。计算机在文字处理方面已经改变了纸和笔的传统应用，它所产生的数据不但可以被存储、打印，还可以进行编辑、复制等。这是目前计算机应用最多的一个领域。
当今社会已从工业社会进入信息社会，信息已经成为赢得竞争的重要资源。计算机也广泛应用于政府机关、企业、商业、服务业等行业中，利用计算机进行数据、信息处理不仅能使人们从繁重的事务性工作中解脱出来，去做更多创造性的工作，而且能够满足信息利用与分析的高频度、及时的、复杂性要求，从而使得人们能够通过以获取的信息去生产更多更有价值的信息。
3）过程控制
过程控制是指利用计算机对生产过程、制造过程或运行过程进行检测与控制，即通过实时监控目标对象的状态，及时调整被控对象，使被控对象能够正确地完成生产、制造或运行。
过程控制广泛应用在各种工业环境中，这不只是控制手段的改变，而且拥有众多优点。第一，能够替代人在危险、有害的环境中作业。第二，能在保证同样质量的前提下连续作业，不受疲劳、情感等因素的影响。第三，能够完成人所不能完成的有高精度、高速度、时间性、空间性等要求的操作。
4）计算机辅助
计算机辅助是计算机应用的一个非常广泛的领域。几乎所有过去由人进行的具有设计性质的过程都可以让计算机帮助实现部分或全部工作。计算机辅助（或称为计算机辅助工程）主要有：计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、计算机辅助教育（Computer-Assisted（Aided）Instruction，CAI）、计算机辅助技术（Computer Aided Technology/Test/Translation/Typesetting，CAT）、计算机仿真模拟（Simulation）等。
计算机模拟和仿真是计算机辅助的重要方面。在计算机中起着重要作用的集成电路，如今他的设计、测试之复杂是人工难以完成的，只有计算机才能做到。再如，核爆炸和地震灾害的模拟，都可以通过计算机来实现，它能够帮助科学家进一步认识被模拟对象的特征。对一般应用，如设计一个电路，使用计算机模拟就不需要电源、示波器、万用表等工具进行传统的预实验，只需要把电路图和使用的元器件通过软件输入到计算机中，就可以得到所需的结果，并可以根据这个结果修改设计。
5）网络通信
计算机技术和数字通信技术发展并相融合产生计算机网络。通过计算机网络，把多个独立的计算机系统联系在一起，把不同地域、不同国家、不同行业、不组织的人们联系在一起，缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活和工作方式。通过网络，人们坐在家里通过计算机便可以预订机票、车票，可以购物，从而改变了传统服务业、商业单一的经营方式。通过网络，人们还可以用与远在异国他乡的亲人、朋友实时的传递消息。
6）人工智能
人工智能（Artificial Intelligence，AI）是用计算机模拟人类的某些智力活动。利用计算机可以进行图像和物体的识别，模拟人类的学习过程和探索过程。人工智能研究期望赋予计算机以更多人的只能，如机器翻译、智能机器人等，都是利用计算机模拟人类的智力活动。人工智能是计算机科学发展以来一直处于前沿的研究领域，其主要研究内容包括自然语言理解、专家系统、机器人以及定理自动证明等。目前，人工智能已应用于机器人、医疗诊断、故障诊断、计算机辅助教育、案件侦破、经营管理等诸多方面。
7）多媒体应用
多媒体是包括文本（Text）、图形（Graphics）、图像（Image）、音频（Audio）、视频（Video）、动画（Animation）等多种信息类型的综合。多媒体技术是指人和计算机交互的进行上述多种媒介信息的捕捉、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理成表格、文字、图形、动画、音频、视频等视听信息有机结合的表现形式。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用于商业、服务业、教育、广告宣传、文化娱乐、家庭等方面。同时，多媒体技术与人工智能技术的有机结合还促进了虚拟现实（Virtual Reality）、虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术的发展，使人们可以在计算机迷你的环境中，感受真实的场景，通过计算机仿真制造零件和产品，感受产品各方面的功能与性能。
8）嵌入式系统
并不是所有计算机都是通用的。有许多特殊的计算机用于不同的设备中，包括大量的消费电子产品和工业制造系统，都是把处理器芯片嵌入其中，完成特定的处理任务。这些系统称为嵌入式系统。如数码相机、数码摄像机以及高档电动玩具等都使用了不同功能的处理器。
随着计算机技术和应用的发展，计算机的家族庞大，种类繁多，可以按照不同的方法对其进行分类。
按计算机处理数据的类型可以分为模拟计算机、数字计算机、数字和模拟计算机。模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用离散的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算。数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。
按计算机的用途可分为通用计算机和专用计算机。通用计算机能解决多种类型的问题，通用性强，如PC（Personal Computer，个人计算机）；专业计算机则配备有解决特定问题的软件和硬件，能够高速、可靠地解决特定问题，如在导弹和火箭上使用的计算机大部分都是专业计算机。
按计算机的性能、规模和处理能力，如体积、字长、运算速度、存储容量、外部设备和软件配置等，可将计算机分为巨型机、大型通用机、微型计算机、工作站、服务器等。
1）巨型机
巨型机是指速度快、处理能力最强的计算机，现在称其为高性能计算机。目前，IBM公司的“红杉”超级计算机是世界上运算速度最快的高性能计算机。高性能计算机数量不多，但有着重要和特殊的途径。运用这些超级计算机之后，复杂计算得以实现。在军事上，可用于战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统。在民用方面，可用于大区域中长期天气预报、大面积物探信息处理系统、大型科学计算和模拟系统等。
中国的巨型机事业的开拓者之一、2002年国家最高科学技术奖获得者金怡濂院士在20世纪90年代初提出了一个我国超大规模巨型计算机研制的全新的、跨越式的方案，这一方案把我国巨型机的峰值运算速度从每秒10亿次提升到每秒3 000亿次上，跨越了两个数量级，闯出了一条中国巨型机赶超世界先进水平的发展道路。
2）大型通用机
大型通用机是对一类计算机的习惯称呼，其特点是通用性强，具有较高的运算速度、极强的处理能力和极大的性能覆盖，运算速度为一百万次至几千万次，主要应用在科研、商业和管理部门。通常人们称大型机为“企业级”计算机，其通用性强，但价格比较贵。
大型机系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。
在信息化社会里，随着信息资源的剧增，带来了信息通信、控制和管理等一系列问题，而这正是大型机的特长。未来将赋予大型机更多的使命，它将覆盖“企业”所有的应用领域，如大型事务处理、企业内部的信息管理与安全保护、大型科学与工程计算等。
3）微型计算机
在第四代计算机中，微型计算机的发展是最迅猛的，以微处理器为中央处理单元而组成的计算机成为个人计算机（PC），PC的出现使计算机真正面向了个人。由于微型计算机具有体积小、性价比高的优势，它使计算机进人们生活的方方面面，成为大众化的信息处理工具，进而引发计算机网络的蓬勃发展。
微型计算机是微电子技术飞速发展的产物。微型计算机的发展最早追溯到第一代微处理器芯片Intel 4004。1974年12月，美国人爱德华·罗伯茨利用Intel 8080组装了一台很小的计算机，命名为牛郎星（Altair）。人们普遍认为，这就是世界上第一台用微处理器装配的微型计算机。1976年，美国硅谷“家酿计算机俱乐部”的两位青年，史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）和斯蒂夫·沃兹尼亚克（Stephen Wozniak），在汽车库里用较便宜的6502微处理器装配了一台计算机，有8KB存储器，能显示高分辨率图形。为了纪念乔布斯当年在苹果园打工的历史，这台计算机被命名为“苹果I”（Apple I），这是第一次应客户要求成批生产的真正的微型计算机产品，为领导时代潮流的个人计算机的发展铺平了道路。
自IBM公司于1981年采用Intel的微处理器推出IBM PC以来，微型计算机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等优点在过去30年里得到了迅速的发展，成为计算机的主流。自此，人类社会从此跨入了个人计算机的新纪元。此后，IBM PC历经了PC/XT、IBM-PC/AT、386、486、586（奔腾机）的发展，至今，绝大多数人使用的微型计算机仍是IBM PC系列。微型计算机技术在近10年内发展速度迅猛，平均每2年芯片的集成度可提高一倍，性能提高一倍，价格降低一半。今天，微型计算机涉及的应用已经遍及社会各个领域：从工厂生产控制到政府的办公自动化，从商店数据处理到家庭的信息管理，几乎无处不在。
随着社会信息化进程的加快，强大的计算机性能对每一个用户必不可少，移动办公必将成为一种重要的办公方式。因此，一种可随身携带的“便携机”应运而生，笔记本电脑就是其中的典型产品之一，它适用于移动和外出使用的特长深受人们的欢迎。
PC机的出现使得计算机真正面向个人，真正成为大众化的信息处理工具。现在，人们手持一部“便携机”，便可同过网络随时随地与世界上任何一个地方实现信息交流与通信。原来保存在桌面和书柜里的部分信息将存入随身携带的电脑里。人走到哪里，以个人机（特别是便携机）为核心的移动信息系统就跟到哪里，人类想着信息化的自由王国又迈进了一大步。
如果以公元2000年作为科技史的一个分水岭，那么公元2000年之前可以称为“PC”时代；而公元2000年之后则可以称为“后PC”（Post-Personal Computer）时代。
简单地说，后PC时代是指将计算机、通信和消费产品的技术结合起来，以网络应用为主，各种电子设备具备上网功能。后PC时代的网络通信的两大特色为“无限”和“无线”。“无限”指的是上网的工具与应用将无所限制，“无线”则指的是人们将慢慢远离有线传输。
在后PC时代，网络在人们的生活中扮演着重要角色。网络使用者不仅可以通过个人计算机上网，而且可以通过数字机顶盒（Set Top Box，STB）、掌上电脑、移动电话等电子产品上网，这是个人计算机功能被取代的例证之。用无线传输的方式，人们无论走到哪里，都可上网并传输资料。
如今，对于网络产品和专用设备，如用户边缘设备（Customer Edge，CE）、手持计算机、网络计算机、专用计算机等，其易用性和可靠性深得用户的好评，不仅适合处理文档、玩游戏、浏览或收发电子邮件，也适合商务活动的要求。尽管它们属于PC普及之后产生的产品，但这也可以看出“后PC时代”不是PC消亡的时代，而是包括PC在内的信息技术多元化的时代。
目前流行的苹果公司生产的电子产品如图1.2所示。
图1.2 苹果电子产品
根据微型计算机是否由最终用户使用，微型计算机又可分为独立式微机（即人们日常使用的微机）和嵌入式微机（或称嵌入式系统）。嵌入式微机作为一个信息处理部件安装在应用设备里，最终用户不直接使用计算机，使用的是该应用设备，例如包含有微机的医疗设备及电冰箱、洗衣机、微波炉等家用电器等。嵌入式微机一般是单片机或单板机。
单片机是将中央处理器、存储器和输入输出接口采用超大规模集成电路技术集成到一块硅芯片上。单片机本身的集成度相当高，所以ROM、RAM容量有限，接口电路也不多，适用于小系统中。单板机就是在一块电路板上把CPU、一定容量的ROM/RAM以及I/O接口电路等大规模集成电路芯片组装在一起而成的微机，并配备有简单外设如键盘和显示器，通常电路板上固化有ROM或者EPROM的小规模监控程序。
微型计算机的结构有：单片机、单板机、多芯片机和多板机。
4）工作站
工作站是一种高档的微型计算机，比微型机有更大的储存容量和更快的运算速度，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内部存储器和外部存储器，具有较强的信息、图形、图像处理功能以及联网功能。工作站主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域，具有很强的图形交互与处理能力，因此在工程领域，特别是在计算机辅助设计领域得到了广泛的应用，无怪乎人们称工作站是专为工程师设计的计算机。工作站一般采用开放式系统结构，即将机器的软、硬件接口公开，并尽量遵守国际工业界的流行标准，以鼓励其他厂商和用户围绕工作站开发软、硬件产品。目前，多媒体等各种新技术已普遍集成到工作站中，使其更具特色。而它的应用领域也已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域，并频频充当网络服务器的角色。
5）服务器
“服务器”一词描述了计算机在应用中的角色，而不是反映机器的档次。服务器作为网络的结点，存储、处理网络上80%的数据、信息，因此也被称为网络的灵魂。
近年来，随着Internet的普及，各种档次的计算机在网络中发挥着各自不同的作用，而服务器在网络中扮演着最主要的角色。服务器可以是大型机、小型机、工作机或高档微机。服务器可以提供信息浏览、电子邮件、文字传送、数据库等多种业务服务。
服务器主要有以下特点：
（1）只有在客户机的请求下才为其提供服务。
（2）服务器对客户透明。一个与服务器通信的用户面对的是具体的服务，完全不必知道服务器采用的是什么机型及运行的是什么操作系统。
（3）服务器严格地说是一种软件的概念。一台作为服务器使用的计算机通过安装不同的服务器软件，可以同时扮演几种服务器的角色。
最初的计算机，只是为了军事上大数据量计算的需要，而今的计算机可听、说、看，远远超出了“计算的机器”这样狭义的概念。在本节中介绍目前计算科学研究比较热门的人工智能、网格计算、大数据、云计算、量子通信与量子计算机、虚拟现实技术和区块链技术的知识。
2016年机器人“AlphaGo”前3局战胜了代表人类围棋最高水平的李世石，李世石在第4局在劣势的情况下战胜了“AlphaGo”，这则新闻引起了人们对人工智能技术的广泛关注。2017年，机器人“AlphaGo”与我国著名围棋选手柯洁对战，以3∶0赢得胜利。如图1.3所示，一时间成为社会议论的热门话题，人们对人工智能技术有了更加深入的了解。人工智能技术是通过模拟人类思维方式创新而来的一种技术，人类通过控制技术可以对其进行操作，近年来人工智能技术广泛应用到人们的日常生活中，包括语音识别技术、自动处理技术等。随着我国科学技术的不断发展，人工智能技术在性能以及应用范围等诸多方面也得到了拓展。由此可见，人工智能技术在社会不断进步中有着广阔的发展前景。
图1.3 人机大战现场
为了能够顺应时代的发展，同时提高自身的核心竞争力，社会各行各业越来越多地应用人工智能技术，并且对此技术提出了更高的要求。人工智能技术不但为人们生活提供了诸多便利，也为各个领域的自动化生产水平的提升奠定了良好的基础，常见的人工智能技术包括语音识别、图像识别等，同时也包含更加高级的科学技术，例如，专家系统应用、自然语言处理等。当前，人工智能技术的应用和发展，不断推动我国社会经济持续发展，引导科技产业进入全新的时代。
（1）什么是人工智能
人工智能是研究、解释和模拟人类智能、行为及其规律的一门学科，它具有很强的信息化及智能化的特点，其应用能够促进各大领域智能化及信息化发展。人工智能不仅适应了信息时代发展要求，还适应了社会现代化发展的需求，故成为一种现代化技术发展新趋势。而从人类智能方面来说，人工智能是指基于人类智能活动规律而构建起来的智能化人工系统，能够代替人类完成一些简单的工作，同时也可以进行一些具有人类智力的工作，诸如一些简单的推理、判断及证明等，因此被应用于心理学、哲学、社会科学、基因工程、纳米科学等领域，使科学技术得到了跨越式发展。
（2）人工智能的发展历程
人工智能的发展经历了如下3个阶段：
1）兴起阶段
人工智能技术起源于20世纪50年代，当时人们已经对人工智能有了一定程度了解，并且在相关学者的研究下提出了它的概念，这之后很多学者及专家都依照这些概念对其进行了更深层次的研究，并取得了很好的研究成果，例如，已经研发出的表处理（LISP）语言、机器定理等，人工智能取得了进一步的发展。但该阶段的人工智能在各学科领域应用时还存在一些问题及局限性，所以需要更进一步去完善和改进，但当时其他相关技术并没有成熟，因此在一定程度上阻碍了人工智能技术的发展。
2）应用阶段
人工智能技术在20世纪70年代便进入了应用阶段，在该阶段相关专业已经提出了知识工程的概念，很大程度上促进了商品化专家系统、智能系统的完善和建立。这两种系统在世界各国得到了应用，并受到了广泛好评，这为人工智能技术的高速发展奠定了良好的基础。但该阶段的专家系统还存在一些漏洞，这不利于一些问题的处理，在一定程度上影响了人工智能技术的发展。
（3）人工智能主要应用领域
1）智能家居
智能家居是基于物联网技术，通过智能硬件、软件系统、云计算平台构成一套完整的家居生态圈，如图1.4所示。用户可以远程控制设备，设备间可以互联互通，并进行自我学习等，来整体优化家居环境的安全性、节能型、便捷性等。值得一提的是，近年来随着智能语音成功地打开了家居市场，也为未来更多的智能家居用品培养了用户习惯。目前家居市场的智能产品种类繁杂，如何打通这些产品之间的沟通壁垒，以及建立安全可靠的智能家居服务环境，是该行业下一步的发力点。
图1.4 智能家居
2）智能零售
人工智能在零售领域的应用已经十分广泛，无人便利店、智慧供应链、客流统计、无人仓/无人车等都是热门方向。京东自主研发的无人仓采用大量智能物流机器人进行协同与配合，通过人工智能、深度学习、图像智能识别、大数据应用等技术，让工业机器人可以有自主的判断和行为，完成各种复杂的任务，在商品分拣、运输、出库等环节实现自动化。图谱科技等公司将人工智能技术应用于客流统计，通过人脸识别实现客流统计功能，门店可以从性别、年龄、表情、新老顾客、滞留时长等维度建立到店客流的用户画像，为调整运营策略提供数据基础，帮助门店运营从匹配真实到店客流的角度提升转换率，实现智慧零售，如图1.5所示。
图1.5 智慧零售
3）智能交通
智能交通系统（ITS）是通信、信息和控制技术在交通系统中集成应用的产物，如图1.6所示。目前，ITS应用最广泛的地区是日本，其次是美国、欧洲等。ITS方面的应用主要是通过对交通中的车辆流量、行车速度进行采集和分析，可以对交通进行实时监控和调度，有效提高通行能力，简化交通管理，降低环境污染。
图1.6 智能交通
4）智能医疗
目前，垂直领域的图像算法和自然语言处理技术已经基本可以满足医疗行业的需求，市场上出现了众多技术服务商，例如，提供智能医学影像技术的尚德韵兴，研发人工智能细胞识别医学诊断系统的智微信科，提供智能辅助诊断服务平台的若水医疗，统计及处理医疗数据的易通天下等。尽管智能医疗在辅助诊疗、疾病预测、医疗影像辅助诊断、药物开发等方面发挥重要作用，但由于各医院之间医学影像数据、电子病历等不流通，导致企业与医院之间合作不透彻，如图1.7所示。
图1.7 智能医疗
5）智能教育
科大讯飞等企业早已开始探索人工智能在教育领域的应用。通过图像识别，可以使用机器批改试卷、识题答题等；通过语音识别可以纠正、改进发音；而人机交互可以进行在线答疑解惑等。人工智能和教育的结合在一定程度上可以改善教育行业师资分布不均衡、费用高昂等问题，从工具层面给师生提供更有效的学习方式，但还不能对教育内容产生较多实质性的影响。科大讯飞生产的阿尔法蛋机器人将人工智能与儿童教育相结合，帮助儿童更好地学习，如图1.8所示。
图1.8 阿尔法蛋机器人
总之，人工智能技术已被应用到各大领域，推动各行各业信息化及智能化发展，使我国社会经济及科学技术水平得到了提高。人工智能技术与其他现代化技术相比，更具有信息化及智能化的特点，因此得到了社会各方人士的关注。但就目前来说，我国的人工智能技术还不够成熟，其发展比较慢且受其他技术牵制，所以进一步研究人工智能技术是十分重要的。
随着计算机的普及，个人计算机进入家庭，由此产生了计算机的利用率问题。越来越多的计算机处于闲置状态。互联网的出现使得连接、调用所有这些拥有闲置计算资源的计算机系统成为现实。
一个非常复杂的大型计算任务通常需要用大量的计算机或巨型计算机来完成。网格计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把它们分配给多台计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终结果，从而圆满完成一个大型计算任务。对于用户来讲，关心的是任务完成的结果，并不需要知道任务是如何切分以及哪台计算机执行了哪些小任务。这样，从用户的角度看，就好像拥有一台功能强大的虚拟计算机，这就是网格计算的思想。
网格计算是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“结点”，而整个计算是由成千上万个“结点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式称为网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势：一是数据处理能力超前，二是能充分利用网上的闲置处理能力。
网格计算包括任务管理、任务调度和资源管理，它们是网格计算的三要素。用户通过任务管理向网格提交任务，为任务制定所需的资源，删除任务，检测任务的运行状态；任务调度根据任务的类型、所需的资源、用户的可用资源等情况安排运行日程和策略；资源管理则负责检测网格中资源的状况。
网格计算技术的特点是：
（1）能够提供资源共享，实现应用程序的互连互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的连通。
（2）协同工作。很多网格结点可以共同处理一个项目。
（3）基于国际的开放技术标准。
（4）网格可以提供动态的服务，能够适应变化。
网格计算机技术是一场计算的革命，它将全世界的计算机联合起来协同工作，它被人们视为21世纪的新型网络基础架构。
（1）什么是大数据
研究机构高德纳（Gartner）的定义：大数据是指需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力、流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。
维基百科的定义：大数据指的是所涉及的资料量规模巨大到无法通过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理并整理成为可以帮助企业作出经营决策目的的信息。
麦肯锡公司的定义：大数据是指无法在一定时间内用传统数据库软件对其内容进行采集、存储、管理和分析的数据集合。
大数据并不是一种新的产品，也不是一种新的技术，就如同十几年前提出的“海量数据”的概念一样，大数据是数字化时代出现的一种现象，如图1.9所示。
图1.9 大数据
那么海量数据与大数据的差别何在？从翻译的角度看，“大数据”和“海量数据”均来自英语，“big data”翻译为“大数据”，而“large-scale data”或者“vast data”则翻译为“海量数据”。从数据组成的角度看，海量数据包括结构化和半结构化的交易数据，而大数据除此以外还包括非结构化数据和交互数据在内的所有数据集，其规模或复杂程度超出了常用技术按照合理的成本和时限捕捉、管理及处理这些数据集的能力。可见，大数据由海量交易数据、海量交互数据和海量数据处理三大主要的技术趋势汇聚而成。
20世纪60年代，数据一般存储在文件中，由应用程序直接管理；70年代构建了关系数据模型，数据库技术为数据存储提供了新的手段；80年代中期，数据仓库由于具有面向主题、集成性、时变性和非易失性的特点，成为数据分析和联机分析的重要平台；随着网络的普及和Web 2.0网站的兴起，基于Web的数据库和非关系型数据库等技术应运而生。目前，智能手机和社交网络的广泛使用，使得各种类型的数据呈指数增长，渐渐超出了传统关系型数据库的处理能力，数据中存在的关系和规则难以被发现，而大数据技术很好地解决了这个难题，它能够在成本可承受的条件下，在较短的时间内，将数据采集到数据仓库中，用分布式技术框架对非关系型数据进行异质性处理，通过数据挖掘与分析，从大量化、多类别的数据中提取价值，大数据技术将是IT领域新一代的技术与架构。
（2）大数据的特征
大数据具有“4V”特征，即数据体量巨大（Volume）、数据种类繁多（Variety）、流动速度快（Velocity）和价值密度低（Value）。
1）数据体量巨大
大数据通常指10TB规模以上的数据量。之所以会产生如此巨大的数据量，一是由于各种仪器的使用，使人们能够感知到更多的事物，这些事物的部分甚至全部数据就可以被存储；二是由于通信工具的使用，使人们能够全时段的联系，机器对机器（M2M）方式的出现，使得交流的数据量成倍增长；三是由于集成电路价格降低，使得很多东西有了智能的成分。
2）数据种类繁多
随着传感器种类的增多以及智能设备、社交网络等的流行，数据类型也变得更加复杂，不仅包括传统的关系数据类型，还包括以网页、视频、音频、E-mail、文档等形式存在的未加工的、半结构化的和非结构化的数据。
3）流动速度快
通常所理解的速度是数据的获取、存储以及挖掘有效信息的速度，但我们现在处理的数据是PB级代替了TB级，考虑到“超大规模数据”和“海量数据”也有规模大的特点，大数据强调数据是快速动态变化的流式数据，数据流动的速度快到难以用传统的系统去处理。
4）价值密度低
数据量呈指数增长的同时，隐藏在海量数据中的有用信息却没有按照相应比例增长，反而使我们获取有用信息的难度加大。以视频监控为例，连续的监控过程，可能有用的数据仅有一两秒。
大数据的“4V”特征表明其不仅仅是数据海量，对于大数据的分析将更加复杂、更追求速度、更注重实效。
（3）大数据在国内外的应用情况
大数据的应用极为广泛，它涉及人类吃穿住行的各个方面，并且正以惊人的速度进行扩展。
首先看一下国内外名企关于大数据的应用分布：电子商务方面有京东、天猫、拼多多等；人力资源行业有SPA、IBM等；互联网企业有谷歌、百度、腾讯、新浪等；零售企业有沃尔玛、ZARA等；制造业企业有联想、宝马等。
现实生活中应用大数据的例子比比皆是，比较典型的集中应用如下。
1）2020年，我们在抗击新型冠状病毒肺炎联防联控中，大数据技术用于疫情分析，聚焦重点地区、重点省份，特别是聚焦关键时间节点，提供人员的流动信息以及疫情态势的分析。
2）在日本汽车行业中，专家通过仔细分析驾驶员最常使用的坐姿数据，并将该数据应用于汽车防盗系统中，从而减少了盗车事件的发生。
3）美国联合包裹运送服务公司（UPS）利用电子设备对车辆所要到达的目的地进行实时的数据分析，同时利用产生的这些大数据来获取最佳行车路径，从而提高了快递的配送效率。
大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面，不仅相互独立还相互依存。大数据注重海量信息的存储、分析和处理，而云计算则注重数据计算的方式、方法。因此，大数据必然无法用单台计算机进行处理，必须采用分布式架构。大数据分析的特色在于对海量数据进行分布式数据挖掘，但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术。
随着信息技术的飞速发展，云计算已成为一种普遍认可的计算模式。近年来，云计算的应用为用户提供了各种可靠的资源服务，它是一种一切皆为服务的模式，为用户提供高质量的服务。另外，云计算与“互联网+”的结合，使云计算得到了新的发展和应用。现阶段，由于得到相关技术标准和各个服务层协议的支撑，一些云计算产品为客户提供了高品质的服务体验，因此云计算具有广阔的发展前景。
（1）什么是云计算
云计算（Cloud Computing）是分布式计算的一种，指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后，通过多部服务器组成的系统分析和处理这些小程序得到结果并返回给用户。云计算早期就是简单的分布式计算，解决任务分发，并进行计算结果的合并。因而，云计算又称为网格计算。通过这项技术，用户可以在很短的时间内（几秒）完成对数以万计的数据的处理，从而实现强大的网络服务。
“云”实质上就是一个网络，狭义上讲，云计算就是一种提供资源的网络，使用者可以随时获取“云”上的资源，按需求量使用，并且可以看成无限扩展的，只要按使用量付费就可以。就像自来水厂一样，我们可以随时接水，并且不限量，按照自己家的用水量，付费给自来水厂就可以。
从广义上来说，云计算是与信息技术、软件、互联网相关的一种服务，是一种按使用量付费的模式，可以从可配置的计算资源共享池中获取所需的资源，这种计算资源共享池叫作“云”。云计算机把许多计算资源集合起来，通过软件实现自动化管理，只需要很少的人参与，就能快速提供资源。也就是说，计算能力作为一种商品，可以在互联网上流通，就像水、电、煤气一样，可以方便地取用，且价格较为低廉。
总之，云计算不是一种全新的网络技术，而是一种全新的网络应用的概念，云计算的核心概念就是以互联网为中心，在网络上提供快速且安全的云计算服务与数据存储，让每一个使用互联网的人都可以使用网络上庞大的计算资源与数据中心。
（2）云计算特点
云计算的可贵之处在于高灵活性、可扩展性和高性价比等，与传统的网络应用模式相比，其具有如下优势与特点。
1）虚拟化技术
必须强调的是，虚拟化突破了时间、空间的界限，是云计算最为显著的特点。虚拟化技术包括应用虚拟和资源虚拟两种。众所周知，物理平台与应用部署的环境在空间上是没有任何联系的，正是通过虚拟平台对相应终端操作完成数据备份、迁移和扩展等。
2）动态可扩展
云计算具有高效的运算能力，在原有服务器的基础上增加云计算功能能够使运算速度迅速提高，最终实现动态扩展虚拟化的层次达到对应用进行扩展的目的。
3）按需部署
计算机中包含了许多应用程序和软件等，不同的应用对应的数据资源库不同，所以用户运行不同的应用需要较强的计算能力对资源进行部署，而云计算平台能够根据用户的需求快速配备计算能力及资源。
4）灵活性高
目前市场上大多数IT资源、软件、硬件都支持虚拟化，如存储网络、操作系统和开发软硬件等。虚拟化要素统一放在云系统资源虚拟池当中进行管理，可见云计算的兼容性非常强，不仅可以兼容低配置机器、不同厂商的硬件产品，还能够兼容许多外设获得更高的计算性能。
5）可靠性高
服务器发生故障也不影响计算与应用的正常运行，因为单点服务器出现故障可以通过虚拟化技术将分布在不同物理服务器上面的应用进行恢复或者利用动态扩展功能部署新的服务器进行计算。
6）性价比高
将资源放在虚拟资源池中统一管理，在一定程度上优化了物理资源，用户不再需要昂贵、占空间的主机，可以选择相对廉价的PC组成云，一方面减少费用，另一方面计算性能不逊于大型主机。
7）可扩展性
用户可以利用应用软件的快速部署条件更为简单快捷地将自身所需的已有业务以及新业务进行扩展。例如，计算机云计算系统中出现设备的故障，对于用户来说，无论是在计算机层面上，或是在具体应用上均不会受到影响，可以利用云计算具有的动态扩展功能来对其他服务器开展有效扩展。这样一来就能够确保任务得以有序完成。在对虚拟化资源进行动态扩展的情况下，同时能够高效扩展应用，提高计算机云计算的操作水平。
（3）云计算的应用
较为简单的云计算技术已经普遍应用于如今的互联网服务中，最为常见的就是搜索引擎和网络邮箱。大家最为熟悉的搜索引擎莫过于谷歌和百度了，在任何时刻都可以在搜索引擎上搜索自己想要的资源，通过云端共享数据资源。而网络邮箱也是如此，在过去，寄一封邮件是一件比较麻烦的事情，也是一个很慢的过程，而在云计算技术和网络技术的推动下，电子邮箱成为社会生活中的一部分，只要在网络环境下，就可以实现实时的邮件寄发。云计算的应用已经融入现今的社会生活，如图1.10所示。
图1.10 云计算
1）存储云
存储云又称云存储，是在云计算技术的基础上发展起来的一个新的存储技术，如图1.11所示。云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。用户可以将本地的资源上传至云端上，也可以在任何地方连入互联网来获取云上的资源。大家所熟知的谷歌、微软等大型公司均有云存储的服务，在国内，百度云和微云是市场占有量最大的存储云。存储云向用户提供了存储容器服务、备份服务、归档服务和记录管理服务等，大大方便了使用者对资源的管理。
图1.11 存储云
2）医疗云
医疗云是指在云计算、移动技术、多媒体、大数据以及物联网等新技术的基础上，结合医疗技术，使用“云计算”来创建医疗健康服务云平台，实现了医疗资源的共享和医疗范围的扩大，如图1.12所示。因为云计算技术的运用与结合，医疗云提高了医疗机构的效率，方便居民就医。像现在医院的预约挂号、电子病历、医保等都是云计算与医疗领域结合的产物，医疗云还具有数据安全、信息共享、动态扩展、布局全国的优势。
图1.12 医疗云
3）金融云
金融云是指利用云计算的模型，将信息、金融和服务等功能分散到庞大分支机构构成的互联网“云”中，旨在为银行、保险和基金等金融机构提供互联网处理和运行服务，同时共享互联网资源，从而解决现有问题并且达到高效、低成本的目标。2013年11月，阿里云整合阿里巴巴旗下资源推出阿里金融云服务，如图1.13所示。其实，这就是现在基本普及了的快捷支付，由于金融与云计算的结合，现在只需要在手机上简单操作，就可以完成银行存款、购买保险和基金买卖。现在，不仅阿里巴巴，苏宁金融、腾讯等企业均推出了自己的金融云服务。
图1.13 阿里金融云
4）教育云
教育云实质上是指教育信息化的一种发展。具体地说，教育云可以将所需要的任何教育硬件资源虚拟化，然后将其传入互联网中，可以向教育机构和学生、老师提供一个方便快捷的平台，现在流行的慕课就是教育云的一种应用。慕课（MOOC）是指大规模开放式的在线课程，在国内，中国大学MOOC是很好的教育平台，如图1.14所示。2013年10月，清华大学推出MOOC平台——学堂在线，许多大学也使用学堂在线开设了一些课程的MOOC。
图1.14 中国大学MOOC
（1）量子通信
量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种通信方式，是近20年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近年来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注，量子通信基于量子力学的基本原理，并以此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
单个光量子不可分割和量子不可克隆原理的奇特性质，为我们提供了一种新型的安全通信方式，称为量子密钥分发、量子保密通信，简称量子通信。
在量子通信的过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥，可能遇到的窃听方法有以下三种。
第一种可能遇到的窃听方法是将信息载体分割成两部分，让其中一部分继续传递，而对另一部分进行状态测量以获取密钥信息。但由于信息载体是单光子，不可分割，因此这种方法不可行。
第二种可能遇到的窃听方法是窃听者截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个相同状态的光子给接收方，以使其窃听行为不被察觉。但由于窃听者的测量行为会对光子的状态产生扰动，其发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听行为。
第三种可能遇到的窃听方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态窃取信息，但按前面所讲的量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。
因此，量子通信的安全性受到量子力学基本原理的充分保障。无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律成立，量子通信就无法被破译。
（2）量子通信的作用与意义
由于通信终端、传输信道、服务器等多个环节均存在着安全性隐患，网络信息安全面临着严重的威胁。通常，人们可以采用身份认证（确保是授权用户）、传输加密（确保传输过程中的安全）、数字签名（确保数据不被篡改）等手段来确保信息安全。在传统信息安全体系中，这些手段都是依赖于计算复杂度的加密算法来实现的。然后一旦拥有足够强大的计算能力，所有依赖于计算复杂度的加密算法都可能会被破解。
量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患，能够确保身份认证、传输加密以及数字签名等技术手段的无条件安全，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。量子通信是最早走向实用化和产业化的量子信息技术，普遍被国际上认为是事关国家信息安全的战略性必争领域。
（3）量子计算机
简单地说，量子计算机是一种可以实现量子计算的机器，是一种通过量子力学规律实现数学和逻辑运算，以及处理和存储信息的系统，如图1.15所示。它以量子态为记忆单元和信息存储形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通信与量子计算，在量子计算机中其各种硬件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机是一种物理系统，它能存储和处理量子力学变量的信息。
图1.15 量子计算机
经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。
在量子计算机中，基本信息单元叫作量子位（Qubit）、昆比特或量子比特，不同于传统计算机，这种计算机并不是二进制原理，而是按照性质4个一组组成的单元。量子计算机是以量子态作为信息的载体，运算对象是量子比特序列。量子比特是两个正交量子态的任意叠加态，从而实现了信息的量子化。
与现有计算机类似，量子计算机同样主要有存储元件和逻辑门构成，但是它们又同现在计算机上使用的这两类元件大不一样。现有计算机上，数据用二进制位存储，每位只能存储一个数据，非0即1。而在量子计算机中采用量子位存储，由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。这就是说量子位存储的内容可以是0和1的叠加。由于一个二进制位只能存储一个数据，所以几个二进制位就只能存储几个数据。而一个量子位可以存储4个数据，所以n个量子位就可以存储2 n 个数据。这样，便大大提高了量子计算机的存储能力。
量子计算机突出的优点有两个，一是能够实现量子并行计算，可加快解题速度；二是存储能力大大提高。它的弱点也有两个，一是受环境影响大；二是纠错不太容易。
（4）量子计算机的基本原理
量子计算机是一种基于量子理论而工作的计算机。追本溯源，对可逆机的不断探索促进了量子计算机的发展。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论，处理和计算是量子信息，运行的是量子算法。1981年，美国阿拉贡国家实验室（ANL）最早提出了量子计算的基本理论。
1）量子比特
经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0与1表示。在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，用两个量子态“|0>”和“|1>”代替经典比特状态0和1.量子比特相较于比特来说，有着独一无二的存在特点，它以两个逻辑态的叠加态的形式存在，这表示的是两个状态，是0和1的相应量子态叠加。
2）态叠加原理
现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中，量子的运动状态无法确定，呈现统计性，与宏观体系确定的运动状态相反，量子态就是微观体系的态。
3）量子纠缠
当两个粒子相互纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两个粒子中的一个粒子的状态发生变化时，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应随之改变。
4）量子并行原理
量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式存储数字，通过将量子位增至300个就能存储比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算。
虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），又称灵境技术，是20世纪末发展起来的一项全新的技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛，VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。
（1）什么是虚拟现实技术
顾名思义，虚拟现实就是虚拟和现实相互结合。从理论上来讲，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实，如图1.16所示。
图1.16 虚拟现实技术
虚拟现实技术得到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到真实的感受，其模糊环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有身临其境的感觉；同时虚拟现实具有人类所拥有的感知功能，例如，听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等；它具有超强的仿真系统，实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境真实的反馈。
（2）虚拟现实技术的分类
VR涉及学科众多，应用领域广泛，系统种类繁杂，这是由其研究对象、研究目标和应用需求决定的。从不同角度出发，可对VR系统做出不同分类。
1）根据沉浸式体验角度分类
沉浸式体验分为非交互式体验、人—虚拟环境交互式体验和群体—虚拟环境交互式体验等几类。该角度强调用户与设备的交互体验，相比之下，非交互式体验中的用户更为被动，所体验的内容均为提前规划好的，即便允许用户在一定程度上引导场景数据的调度，也仍没有实质性的交互行为，如场景漫游等，用户几乎全程无事可做；而在人—虚拟环境交互式体验系统中，用户则可用诸如数据手套、数字手术刀等设备与虚拟环境进行交互，此时的用户可感知虚拟环境的变化，进而能产生在相应现实世界中可能产生的各种感受。
如果将该套系统网络化、多机化，多个用户共享一套虚拟环境，便得到群体—虚拟环境交互式体验系统，如大型网络交互游戏等，此时的VR系统与真实世界无甚差异。
2）根据系统功能角度分类
系统功能分为规划设计、展示娱乐、训练演练等几类。规划设计系统可用于新设施的实验验证，可大幅缩短研发时长，降低设计成本，提高设计效率，城市排水、社区规划等领域均可使用，如VR模拟给排水系统，可大幅减少原本需用于实验验证的经费；展示娱乐类系统适用于提供给用户逼真的观赏体验，如数字博物馆、大型3D交互式游戏、影视制作等，如VR技术早在20世纪70年代便被用于拍摄特效电影；训练演练类系统则可应用于各种危险环境及一些难以获得操作对象或实操成本极高的领域，如外科手术训练、空间站维修训练等。
（3）虚拟现实技术的特征
虚拟现实技术具有如下特征。
1）沉浸性
沉浸性是虚拟现实技术最主要的特征，就是让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分，虚拟现实技术的沉浸性取决于用户的感知系统，当使用者感知到虚拟世界的刺激时，包括触觉、味觉、嗅觉、运动感知等，便会产生思维共鸣，造成心理沉浸，感觉如同进入真实世界。
2）交互性
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，使用者进入虚拟空间，相应的技术让使用者跟环境产生相互作用，当使用者进行某种操作时，周围的环境也会做出某种反应。如使用者接触到虚拟空间中的物体，那么使用者手上应该能够感受到，若使用者对物体有所动作，物体的位置和状态也应改变。
3）多感知性
多感知性表示计算机技术应该拥有很多感知方式，如听觉、触觉、嗅觉等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前大多数虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、运动等几种。
4）构想性
构想性也称想象性，使用者在虚拟空间中，可以与周围物体进行互动，可以拓宽认知范围，创造客观世界不存在的场景或不可能发生的环境。构想可以理解为使用者进入虚拟空间，根据自己的感觉与认知能力吸收知识，发散拓宽思维，创立新的概念和环境。
5）自主性
自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，受到力的推动时，物体会向力的方向移动、翻倒、从桌面落到地面等。
（4）虚拟现实技术的应用
虚拟和现实技术主要应用在以下几个方面。
1）虚拟现实在影视娱乐中的应用
近年来，随着虚拟现实技术在影视业的广泛应用和发展，也出现了一些虚拟现实技术体验馆，此体验馆可以让观影者体会到置身于真实场景之中的感觉，让体验者沉浸在影片所创造的虚拟环境之中。同时，随着虚拟现实技术的不断创新，此技术在游戏领域也得到了快速发展。虚拟现实技术是利用计算机产生的三维虚拟空间，而三维游戏刚好是在此技术之上的应用，三维游戏几乎包含了虚拟现实的全部技术，使得游戏在保持实时性和交互性的同时，也大幅提升了游戏的真实感。
2）虚拟现实在教育中的应用
如今，虚拟现实技术已经成为促进教育发展的一种新型教育手段。传统的教育有时只是给学生灌输知识，而利用虚拟现实技术可以帮助学生打造生动、逼真的学习环境，学生通过真实感受来增强记忆。相比于被动灌输，利用虚拟现实技术进行自主学习更容易让学生接受，也更容易激发学生的学习兴趣。此外，各大院校利用虚拟现实技术还建立了与学科相关的虚拟实验室来帮助学生学习。
3）虚拟现实在设计领域的应用
虚拟现实技术在设计领域小有成就，如室内设计，人们可以利用虚拟现实技术把室内结构、房屋外形表现出来，使之变成可以看到的物体和环境。同时，在设计初期，设计师可以将自己的想法通过虚拟现实技术模拟出来，可以在虚拟环境预先看到室内的实际效果，这样既节省了时间，又降低了成本。
4）虚拟现实在医学方面的应用
医学专家们利用计算机，在虚拟空间中模拟出人体组织和器官，让学生在其中进行模拟操作，并且能让学生感受到手术刀切入人体肌肉组织、触碰到骨头的感觉，使学生能够更快地掌握手术要领。而且，主刀医生在手术前，也可以建立一个病人身体的虚拟模型，在虚拟空间中先进行一次手术预演，这样能够大大提高手术的成功率，让更多的病人得以痊愈。
5）虚拟现实在军事方面的应用
由于虚拟现实的立体感和真实感，在军事方面，人们将地图上的山川地貌、海洋湖泊等数据通过计算机进行编写，利用虚拟现实技术，能将原本平面的地图变成一幅三维立体的地形图，再通过全息技术将其投影出来，这更有助于进行军事演习等训练。
除此之外，现在的战争是信息化战争，战争机器都朝着自动化方向发展，无人机便是信息化战争的最典型产物。无人机由于它的自动化以及便利性深受各国喜爱，在战士训练期间，可以利用虚拟现实技术去模拟无人机的飞行、射击等工作模式。战争期间，军人也可以通过眼镜、头盔等机器操控无人机进行侦察任务，减小战争中军人的伤亡率。虚拟现实技术能将无人机拍摄到的场景立体化，降低操作难度，提高侦察效率。
6）虚拟现实在航空航天方面的应用
由于航空航天是耗资巨大的工程，所以，人们利用虚拟现实技术和计算机的统计模拟，在虚拟空间中重现了现实中的宇宙飞船与飞行环境，航天员在虚拟空间中进行飞行训练和实验操作，极大地减少了实验经费和降低了实验的危险系数。
区块链技术作为近年来信息技术体系的一个重要组成部分，已经成为金融科技的底层支持技术，它会成为未来信息技术发展的主要趋势之一。国内外学者对区块链技术的生产力功能、社会影响、人文价值等方面，进行了有益的哲学或社会学层面的反思。区块链技术发展的过程与结果的非线性特点越来越明显，引发了学界对该技术价值可控性与不可控性这一内在矛盾的深刻反思。总体上，区块链技术作为信息技术体系的新生事物，需要合理的价值规范，在一定的价值框架下健康发展。
（1）什么是区块链技术
1）区块链
从数据的角度来看，区块链是一种几乎不可能被更改的分布式数据库，或称为分布式共享总账（Distributed Shared General Ledger），这里的“分布式”不仅体现为数据的分布式存储，也体现为数据的分布式记录（由系统参与者来集体维护）。区块链能实现全球数据信息的分布式记录（可以由系统参与者集体记录，而非由一个中心化的机构集中记录）与分布式存储（可以存储在所有参与记录数据的节点中，而非集中存储于中心化的机构节点中）。从效果的角度来看，区块链可以生成一套记录时间先后的、不可篡改的、可信任的数据库，这套数据库是去中心化存储且数据安全能够得到有效保证的。
区块链是一种把区块以链的方式组合在一起的数据结构。它适合存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据，用密码学保证了数据的不可篡改和不可伪造。它能够使参与者对全网交易记录的事件顺序和当前状态建立共识。
2）区块链技术
区块链技术是一种去中心化、去信任的集体维护数据库技术，其本质是一种互联网协议。区块链技术拥有显著的应用优势：去中心化的分布式结构应用于现实中可节省大量的中介成本，不可篡改的时间戳特征可解决数据追踪与信息防伪问题，安全的信任机制可解决现今物联网技术的核心缺陷，灵活的可编程特性可规范现有市场秩序。
如今的区块链技术概括起来是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠的数据库。其实，区块链技术并不是一种单一的、全新的技术，而是多种现有技术（如加密算法、P2P文件传输等）整合的结果，这些技术与数据库巧妙地组合在一起，形成了一种新的数据记录、传递、存储与呈现的方式。过去，人们将数据记录、存储的工作交给中心化的机构来完成，而区块链技术则让系统中的每个人都可以参与数据的记录、存储。区块链技术在没有中央控制点的分布式对等网络下，使用分布式集体运作的方法，构建了一个点对点的自组织网络。通过复杂的校验机制，区块链数据库能够保持完整性、连续性和一致性，即使部分参与人作假也无法改变区块链的完整性，更无法篡改区块链中的数据。
（2）区块链技术的特征
区块链技术的主要特征如下。
1）去中心化
区块链节技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现了信息的自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出、最本质的特征。
2）开放性
区块链技术的基础是开源的，除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人开放，任何人都可以通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。
3）独立性
基于协商一致的规范和协议（类似散列算法等各种数学算法），整个区块链系统不依赖其他第三方，所有节点能够在系统内自动安全地验证、交换数据，不需要任何人为的干预。
4）安全性
只要不能掌握超过一半的数据节点，就无法肆意操控修改网络数据，这使区块链本身变得相对安全，避免了主观人为的数据变更。
5）匿名性
除非有法律规范要求，单从技术上来讲，各区块节点的身份信息不需要公开或验证，信息传递可以匿名进行。
（3）区块链核心技术
1）分布式账本
分布式账本指的是交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每个节点记录的都是完整的账目，因此它们都可以参与监督交易的合法性，同时也可以共同为其作证。
跟传统的分布式存储有所不同，区块链的分布式存储的独特性主要体现在两个方面：一是区块链每个节点都按照块链式结构存储完整的数据，传统分布式存储一般是将数据按照一定的规则分成多份进行存储；二是区块链每个节点的存储都是独立的、地位等同的，依靠共识机制保证存储的一致性，而传统分布式存储一般通过中心节点往其他备份节点同步数据。区块链没有任何一个节点可以单独记录账本数据，从而避免了单一记账人被控制或者被贿赂而记假账的可能性。也由于其记账节点足够多，理论上讲除非所有的节点被破坏，否则账目就不会丢失，从而保证了账目数据的安全性。
2）非对称加密
存储在区块链上的交易信息是公开的，但是账户身份信息是高度加密的，只有在数据拥有者授权的情况下才能访问到，从而保证了数据的安全和个人的隐私。
3）共识机制
共识机制就是所有记账节点之间怎么达成共识，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，也是防止篡改的手段。区块链提出了4种不同的共识机制，适用于不同的应用场景，在效率和安全性之间取得平衡。这4种共识机制是工作量证明机制、权益证明机制、委托权益证明机制和容量证明机制。
区块链的共识机制具备“少数服从多数”以及“人人平等”的特点，其中“少数服从多数”并不完全指节点个数，也可以是计算能力、股权数或者其他计算机可以比较的特征量。“人人平等”是当节点满足条件时，所有节点都有权优先提出共识结果、直接被其他节点认同后并最后有可能成为最终共识结果。
4）智能合约
智能合约基于这些可信的不可篡改的数据，自动执行一些预先定义好的规则和条款。以保险为例，如果说每个人的信息（包括医疗信息和风险发生的信息）都是真实可信的，那就很容易在一些标准化的保险产品中进行自动化理赔。在保险公司的日常业务中，虽然交易不像银行和证券行业那样频繁，但是对可信数据的依赖却是有增无减的。因此，笔者认为利用区块链技术，从数据管理的角度切入，能够有效地帮助保险公司提高风险管理能力。具体来讲主要分为投保人的风险管理和保险公司的风险监督。
（4）区块链技术的应用
区块链技术主要应用在以下几个方面。
1）区块链技术在金融领域的应用
区块链在国际汇兑、信用证、股权登记和证券交易所等金融领域有着潜在的巨大应用价值。将区块链技术应用在金融行业中，能够省去第三方中介环节，实现点对点的直接对接，从而在大大降低成本的同时，快速完成交易支付。
2）区块链技术在物联网和物流领域的应用
区块链在物联网和物流领域也可以天然结合。通过区块链可以降低物流成本，追溯物品的生产和运送过程，并且提高供应链管理的效率。该领域被认为是区块链一个很有前景的应用方向。
区块链通过节点连接的散状网络分层结构，能够在整个网络中实现信息的全面传递，并能够检验信息的准确程度。这种特性在一定程度上提高了物联网交易的便利性和智能化。区块链+大数据的解决方案就利用了大数据的自动筛选过滤模式，在区块链中建立信用资源，可双重提高交易的安全性，并提高物联网交易的便利程度，为智能物流模式的应用节约时间成本。区块链节点具有十分自由的进出能力，可独立地参与或离开区块链体系，而对整个区块链体系没有任何干扰。区块链+大数据解决方案就是利用了大数据的整合能力，促使对物联网基础用户的拓展更具有方向性，便于在智能物流的分散用户之间实现用户拓展。
3）区块链技术在数字版权领域的应用
区块链技术在公共管理、能源、交通等领域的应用与民众的生产、生活息息相关，可以用区块链技术来改造这些领域的中心化特质。区块链提供的去中心化的完全分布式DNS服务，通过网络中各个节点之间的点对点数据传输服务就能实现域名的查询和解析，可用于确保某个重要的基础设施的操作系统和固件没有被篡改，可以监控软件的状态和完整性，发现不良的篡改，并确保使用物联网技术的系统所传输的数据没有经过篡改。
4）区块链技术在数字版权领域的应用
通过区块链技术，可以对作品进行鉴权，证明文字、视频、音频等作品的存在，保证权属的真实性、唯一性。作品在区块链上被确权后，后续交易都会进行实时记录，实现数字版权的全生命周期管理，也可作为司法取证中的技术性保障。例如，美国纽约一家创业公司Mine Labs开发了一个基于区块链的元数据协议，这个名为媒体链（Mediachain）的系统利用星际文件系统（InterPlanetary File System，IPFS）实现对数字作品版权的保护，主要是面向数字图片的版权保护应用。
5）区块链技术在保险领域的应用
在保险理赔方面，保险机构负责资金归集、投资、理赔，往往管理和运营成本较高。通过智能合约的应用，既无须投保人申请，也无须保险公司批准，只要触发理赔条件，就可以实现保单自动理赔。一个典型的应用案例就是LenderBot，它允许人们通过Facebook Messenger的聊天功能，注册定制化的微保险产品，为个人之间交换的高价值物品进行投保，而区块链在保险合同中替代了第三方角色。
6）区块链技术在公益领域的应用
区块链上存储的数据，高可靠且不可篡改，天然适合用在社会公益领域。公益流程中的相关信息，如捐赠项目、募集明细、资金流向、受助人反馈等，均可以存放于区块链上，并且有条件进行透明公开公示，方便社会监督。
在计算机诞生之初，很少有人能深刻地预见计算机技术对人类产生的巨大的潜在影响，甚至没有人能预见计算机的发展速度是如此迅猛，超出了人们的想象。计算机已广泛应用于科研、国防、工业、交通、通信以及人们日常工作生活等各个领域。计算机应用的广泛和深入对计算机的发展提出了多样化的要求。展望未来，计算机技术的发展又会沿着一条什么样的轨道前行呢？计算机的发展表现为两个方面：一是朝着巨型化、微型化、网络化和智能化的趋势发展；二是朝着非冯·诺依曼结构的模式发展。
从类型上来看，电子计算机技术正在向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。
1）巨型化
巨型化是指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能完善、可靠性更高，其运算速度可达每秒万万亿次，存储容量超过几百T字节。巨型机的应用范围如今已日趋广泛，在航空航天、军事工业、气象、电子、人工智能等几十个学科领域发挥着巨大作用，特别是在尖端科学技术和军事国防系统的研究开发中，体现了计算机科学技术的发展水平。
巨型机（超级计算机）的研制是国家综合国力、科技竞争力和信息化建设能力的重要体现，已经成为世界各国争夺的战略制高点。1993年，德国曼海姆大学（University of Mannheim）的汉斯、埃里克等人发起并创建了全球超级计算机TOP500排名榜。TOP500目前由德国曼海姆大学、美国田纳西大学、美国能源研究科学计算中心以及劳伦斯伯克利国家实验室联合举办，每年排名两次，已发展成为全世界极具影响的超级计算机排名榜，是衡量各国超级计算机水平的最重要的参考依据。美、英、法、德、日是超级计算机研发和应用的传统强国，其中美国具有优势地位。
2019年11月的全球超级计算机TOP500排行榜中，入选榜单的全部超级计算机的浮点运算速度都已突破每秒千万亿次。我国的计算机上榜数量位列第一，美国位列第二，日本排名第三。
本次超级计算机TOP500的前5名如下。
第1名：Summit（美国），即“顶点”，是IBM公司和美国能源部橡树岭国家实验室推出的超级计算机。它创下了每秒14.86亿亿次的浮点运算的纪录。
第2名：Sierra（美国），即“山脊”，位于美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，速度为每秒9.46亿亿次浮点运算。
第3名：Sunway TaihuLight（中国），即“神威·太湖之光”，由中国国家并行计算机工程技术研究中心开发，安装在无锡国家超级计算机中心，它由超过1 000万个SW26010处理器内核提供支持，如图1.17所示。
第4名：Tianhe-2A（中国），即“天河二号”，由国防科技大学开发，部署在广州国家超级计算机中心。它结合使用Intel Xeon和Matrix-2000处理器，实现了每秒6.14亿亿次浮点运算的速度结果，如图1.18所示。
第5名：Frontera（美国），是前10名中唯一的新超级计算机，采用Intel Xeon Platinum 8280处理器的Dell C6420系统，安装在美国得克萨斯大学。
图1.17 神威·太湖之光
图1.18 天河二号
2）微型化
微型计算机从过去的台式机迅速向便携机、掌上机、膝上机发展，其低廉的价格、方便的使用、丰富的软件，受到人们的青睐。因为微型计算机可渗透到诸如仪表、家用电器、导弹弹头等中小型计算机无法进入的领域，所以也是工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，微型计算机必将以更优的性价比受到人们的欢迎。
3）网络化
网络化指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数据资源。计算机网络是计算机技术发展中崛起的又一重要分支，是现代通信技术与计算机技术结合的产物。目前，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、电信、商业、娱乐等各行各业中得到了广泛的应用，网络化已经在人们的生活中无处不在了。
4）智能化
智能化指计算机模拟人的感觉和思维过程的能力。智能化是计算机发展的一个重要方向。智能计算机具有解决问题和逻辑推理的功能以及知识处理和知识库管理的功能等。它是让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，使计算机具备视觉、听觉、语言、行为、思维、逻辑推理、学习、证明等能力，形成智能型、超智能型计算机。未来的计算机将能接受自然语言的命令，有视觉、听觉和触觉，但可能不再有现在计算机的外形，体系结构也会不同。
目前已研制出的机器人有的可以替代人从事危险环境中的劳动，有的能与人下棋等，这都从本质上扩充了计算机的能力，使计算机成为可以越来越多的替代人的思维活动和脑力劳动的电脑。
5）发展非冯·诺依曼结构模式
从第一台计算机诞生到现在，各种类型的计算机都以存储程序原理和二进制编码方式进行工作，仍然属于冯·诺依曼型计算机。
“冯·诺依曼瓶颈”这个词是由约翰·巴克斯（John Backus）1997年获得图灵奖时首次提出来的。由于冯·诺依曼结构体系采用单数据单控制流，在CPU以摩尔定律高速发展的时代，数据的输入、输出（即流量），相对CPU的运算速率来说远远不够。当CPU需要在一些巨大数据上进行些简单指令操作时，数据输入、输出时CPU处于闲置状态，这就限制了计算机运算速度的提高。
自20世纪60年代开始，人们提出了制造非冯·诺依曼型计算机的想法，并朝着两个大方向努力，一是创建新的程序设计语言，即所谓的“非冯·诺依曼语言”，主要有Lisp、Prolog等；二是从计算机元器件方面，例如提出了量子器件等方面的探索。
计算机中最重要的核心部件是芯片，芯片制造技术的不断进步是推动计算机技术发展的动力。目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造，即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在硅片表面以进行线路蚀刻。当前主要是用紫外光进行光刻操作，随着紫外光波长的缩短，芯片上的线宽将会继续大幅度缩小，同样大小的芯片上可以容纳更多的晶体管，从而推动半导体工业继续前进。但是，当紫外光线波长缩短到小于193nm时（蚀刻线宽0.18nm），传统的石英透镜组会吸收光线而不是将其折射或弯曲。因此，研究人员正在研究下一代光刻技术（Next Generation Lithography，NGL），包括极紫外（EUV）光刻技术、离子束投影光刻技术（Ion Projection Lithography，IPL）、角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL）以及X射线光刻技术。然而，以硅为基础的芯片制造技术的发展技术的发展不是无限的。专家预言，随着晶体管的尺寸接近纳米级，不仅芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，晶体管将不再可靠。下一代计算机无论是从体系结构、工作原理，还是器件及制造技术，都应该进行颠覆性的变革了。
随着计算机技术的发展，PC成为我们工作上的工具、生活中的控制中心是必然的事情。计算机的未来充满了变数。性能的大幅度提高是毋庸置疑的，而实现性能的飞跃却有多种途径。不过性能的大幅提升并不是计算机发展的唯一路线，计算机的发展还应当变得越来越人性化，同时也要注重环保等。
基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台，一些新型计算机正在被加紧研究，包括能识别自然语言的计算机、高速超导计算机、激光计算机、分子计算机、DNA计算机、神经元计算机和生物计算机等。
未来计算机将人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类拓展了更大的生存和发展空间。随着计算机技术朝着巨型化、微型化、网络化、智能化的方向不断发展，未来将出现各种各样的新型计算机。
1）模糊计算机
1956年，英国人查德创立了模糊信息的理论。依照模糊理论，判断问题不是以是和非两种绝对的值或0和1两种数字来表示，而是取许多值，如接近、几乎、差不多及差得远等模糊值来表示。用这种模糊的、不确切的判断进行工程处理的计算机就是模糊计算机。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的计算机。模糊计算机除具有一般计算机的功能外，还具有学习、思考、判断和对话的能力，可以立即辨识外界物体的形状和特征，甚至可帮助人从事复杂的脑力劳动。日本科学家把模糊计算机应用在地铁管理上。日本东京以北320km的仙台市的地铁列车在模糊计算机的控制下，自1986年以来一直安全、平稳地行驶着，车上的乘客可以不必攀扶拉手吊带，这是因为，在列车行进中模糊逻辑“司机”判断行车情况的错误几乎比人类司机要少70%。1990年，松下公司把模糊计算机装在洗衣机里，能根据衣服的肮脏程度、衣服的质料调节洗衣机程序。我国有些品牌的洗衣机也装上了模糊逻辑芯片。此外，人们还把模糊计算机装在吸尘器里，可以根据灰尘量以及地毯的厚实程度调节吸尘器的功率。模糊计算机还能用于地震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控制、海空导航巡视等多个方面。
未来的计算机将在模式识别、语言处理、句式分析和语义分析等综合处理能力上获得重大突破。它可以识别孤立单词、连续单词、连续语言和特定或非特定对象的自然语言（包括口语）。今后，人类将越来越多地同机器对话，人们将向个人计算机“口授”信件，同洗衣机“讨论”保护衣物的程序，或者用语言“制服”不听话的录音机。键盘和鼠标的时代将渐渐结束。
2）生物计算机
微电子技术和生物工程这两项高科技的互相渗透，为研制生物计算机提供了可能。20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）处在不同的状态下可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的导通或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等，激发了科学家们研制生物元件的灵感。1995年，来自各国的200多位有关专家共同探讨了DNA计算机的可行性，认为生物计算机是以生物电子元件构建的计算机，而不是模仿生物大脑和神经系统中信息传递、处理等相关原理来设计的计算机。其生物电子元件是利用蛋白质具有的开关特性，用蛋白质分子制成集成电路，形成蛋白质芯片、红血素芯片等。利用DNA化学反应，通过和酶的相互作用可以使某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程可以制成新型的生物计算机，其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，但它的存储容量可以达到普通计算机的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且它的运算速度更快。这种DNA计算机的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将发生过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的DNA编码形式加以解答。和普通的计算机相比，DNA计算机的优点是体积小，但存储的信息量却超过现在世界上所有的计算机。
3）光子计算机
光子计算机是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成光路技术，把光开关、光存储器等集成在一块芯片上，再用光导纤维连接成计算机。1990年1月底，贝尔实验室研制成世界上第一台光子计算机，尽管它的装置很粗糙，由激光器、透镜、棱镜等组成，只能用来计算。但是，它毕竟是光子计算机领域中的一大突破。正像电子计算机的发展依赖于电子器件，尤其是集成电路一样，光子计算机的发展也主要取决于光逻辑元件和光存储元件，即集成光路的突破。近30年来只读光盘（Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM）、可视光盘（Video Compact Disc，VCD）和数字通用光盘（Digital Versatile Disc，DVD）的接踵出现，是光存储研究的巨大进展。网络技术中的光纤信道和光转换器技术已相当成熟。光子计算机的关键技术，即光存储技术、光互联技术、光集成器件等方面的研究都已取得突破性的进展，为光子计算机的研制、开发和应用奠定了基础。现在，全世界除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光子计算机，未来将会出现更加先进的光子计算机。
光子计算机是利用激光作为载体进行信息处理的计算机，又叫光脑，其运行速度将比普通的电子计算机快至少1 000倍。它依靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理。与电子计算机的相似之处是，光子计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。光束具有在一般条件下互不干扰的特性，这使得光子计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，密度大得惊人。
4）超导计算机
1911年，昂尼斯发现纯汞在4.2K低温下电阻变为零的超导现象，超导线圈中的电流可以无损耗地流动。在计算机诞生之后，超导技术的发展使科学家们想到用超导材料来替代半导体制造计算机。早期的工作主要是延续传统半导体计算机的设计思路，只不过是将半导体材料制备的逻辑门电路改为用超导体材料制备。从本质上讲，并没有突破传统计算机的设计架构。而且，在20世纪80年代中期以前，超导材料的超导临界温度仅在液氦温区，实施超导计算机的计划费用昂贵。然而，在1986年左右出现重大转机，高温超导体的发现使人们可以在液氦温区外获得新型超导材料，于是超导计算机的研究又获得了各方面的广泛重视。超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，其能耗小，运算速度是传统计算机无法比拟的。高速超导计算机的耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一，它执行一条指令只需10 -9 秒，比半导体元件快十几倍。以目前的技术制造出的超导计算机的集成电路芯片的大小只有3~5mm 2 。
5）量子计算机
量子计算机的目的是解决计算机中的能耗问题，其概念源于对可逆计算机的研究。
传统计算机与量子计算机之间的区别是传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机则是遵循着独一无二的量子动力学规律，是一种信息处理的新模式。在量子计算机中，用“量子位”来替代传统电子计算机的二进制位。二进制位只能用0和1两个状态表示信息，而量子位则用粒子的量子力学状态来表示信息，两个状态可以在一个“量子位”中并存。量子位既可以用于表示二进制位的0和1，也可以用这两个状态的组合来表示信息。正因为如此，量子计算机被认为可以进行传统电子计算机无法完成的复杂计算，其运算速度将是传统电子计算机无法比拟的。
由年轻的华裔科学家艾萨克·庄领衔的IBM公司科研小组向公众展示了迄今最尖端的“5比特量子计算机”。研究量子计算机的目的不是要用他来取代现有的计算机，而是要使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机，如光子计算机和生物计算机等的不同之处。目前关于量子计算机的应用材料研究仍然是其中的一个基础研究问题。
6）分子计算机
分子计算机正在酝酿和研制中。美国惠普公司和加州大学于1999年宣布，他们成功研制出了分子计算机中的逻辑门电路，其线宽只有几个原子的直径之和。预计分子计算机的运算速度将是目前计算机的1 000亿倍，最终将取代硅芯片计算机。
7）神经元计算机
人类神经网络的强大与神奇是人们所共知的。将来，人们将制造出能够完成类似人脑功能的计算机系统，即人造神经元网络。神经元计算机最有前途的应用领域是国防：它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定要击毁的目标。神经元计算机具有联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能。
（1）信息化社会与信息技术
信息化社会也称信息社会，是指以信息技术为基础，以信息产业为支柱，以信息价值的生产为中心，以信息产品为标志的社会。信息化社会的基本特征就是“万事万物皆成智力信息”，就连人本身也会被信息化，如身份证编码、证件编码等。
人类社会发展至今，已经历过狩猎技术、农业技术、工业技术三种社会技术，今天正面临着第四种社会技术——信息技术的发展。
狩猎技术的核心是石器和语言，其本质是人类从被动地适应环境（觅食活动）转变为能动地改造环境（劳动），这是人类社会发展过程中发生的质的变化。
农业技术的核心是以锄、犁等为代表的农具和文字。文字的产生，有助于人类智慧的记忆、保存和交流，使得智慧的保存和交流冲破了时间和空间的限制。
工业技术的核心是以蒸汽机为代表的动力机械，人以机器生产来代替手工劳动。利用蒸汽机，人类第一次实现了热能到机械能的转换，成为人类征服和改造自然的强大的物质力量。产业革命的实质是能源的利用。
信息技术的核心是计算机、微电子和通信技术的结合。以往我们把能源和物质材料看成人类赖以生存的两大要素，而今组成社会物质社会文明的要素除了能源和材料，还有信息。信息技术从生产力变革和智力开发这两个方面推动着社会文明的进步，成为社会发展更为重要的动力源泉。在信息化社会中信息将起主要作用。
（2）人类面临的第六次信息革命
人类在认识世界的过程中，逐步认识到信息、物质材料和能源是构成世界的三大要素。信息交流在人类社会文明发展过程中发挥着重要的作用。
人类经历了数次信息革命，其中第一次是语言的使用，第二次是文字的使用，第三次是印刷术的发明，第四次是电话、广播和电视的使用。从20世纪60年代开始第五次信息革命产生的信息技术，则是计算机、微电子与通信技术相结合的技术，即计算机及其网络的应用。而第六次信息革命则是智能互联网的出现。
经过几十年发展，传统互联网已经失去了发展的空间，在一定程度上走到了瓶颈，未来将是全新的智能互联网时代。毫无疑问，智能互联网依然需要和传统互联网一样的网络，这个网络不仅需要高速度，它还应该是广覆盖的，在社会生活任何一个地方都存在，即实时和泛在的。
传统的网络还只是信息传输，我们只关注信息的流动，而很少关注信息的存储和分析。在智能互联网世界里，越来越多的用户在使用网络，甚至生活的所有事情都在这个网络中进行，云存储记录了我们每一次网络活动，包括访问的网站、电子商务的交易、玩了什么游戏、导航去了何地、看了什么影片等，所有的这些信息，都不再像传统世界那样发生过就消失了。因此，对这些数据进行整理、挖掘和分析，就具有巨大的价值。所以智能互联网具有由高速移动网络大数据分析和挖掘、智能感应能力综合形成的能力。互联网和移动互联网是基础，但是必须要用数据挖掘，数据分析来整合，而智能感应能力让传统的信息传输增加了感应能力，这些能力整合起来，形成的力量是传统互联网无法比拟的。
（3）计算机文化
文化离不开语言，所以当技术触动了语言，也就动摇了文化本身。计算机技术已经创造了并且还在继续创造着不同于传统自然语言的计算机语言。这种计算机语言已从简单的应用发展到多种复杂的对话，并逐步发展到能像传统自然语言一样表达和传递信息。可以说，计算技术引起了计算机语言的重构和再生。
数据库的诞生使知识和信息的存储在数量与性质上都发生了质的变化，这引起了人类社会记忆系统的更新。
计算机技术使语言和知识的相互交流发生了根本性变化。也就是说，计算机技术冲击着人类的思维和信息交流方式，冲击着人类社会各个领域，改变着人类的观念和社会结构，这就导致了一种全新的文化模式——计算机文化素养的出现，也就是信息时代文化的出现。
计算机具有逻辑思维功能，这样计算机就可以独立进行加工，产生进一步的思维活动，最后产生思维成果。于是造就智能计算机战胜围棋世界冠军的奇迹。可以认为，计算机思路活动是一种物化思维，是人脑思维的一种延伸，克服了人脑思维和自然语言方面的许多局限性。其高速、大容量、长时间自动运行等特性大大提高了人类的思维能力。可以说，现代人类文化创造活动中，越来越离不开计算机的辅助。
计算机已不是单纯的一门科学技术，它还是进行国际交流、推动全球经济与社会发展的重要手段。虽然计算机也是人脑创造的，但是它具有一定的逻辑思维和判断能力，有着部分人脑的功能，能完成某些人脑才能完成，甚至是人脑完成不了的任务。计算机应用介入人类社会的方方面面，从而让其创造和形成的科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等成为一种崭新的文化观念。所以计算机文化也被称为人类在书本世界之外的第二文化。这是信息时代的特征文化，它不是属于某一国家、某一民族的一种地域文化，而是一种时域文化，是人类社会发展到一定阶段的时代文化。
计算机作为当今信息处理的工具，在信息获取、存储、处理、交流传播方面充当着核心的角色。个人计算机（Personal Computer，PC）的出现只有40多年，在人类文明发展的历史长河中仅仅是一瞬。但在人类现代文明史中，还没有任何一个产业能够像PC这样在如此短的时间内取得如此辉煌的成就，也没有任何一种产品能够在人们生活和工作中发挥如此重要的作用。随着PC的出现，计算机的应用渗透到人类生活的各个方面。计算机信息技术使人类智慧得以充分发挥，在人类历史上创造了真正的奇迹。
信息技术（Information Technology，IT）的飞速发展促进了信息社会的到来。半个多世纪以来，人类社会正由工业社会全面进入信息社会，其主要动力就是以计算机技术、通信技术和控制技术为核心的现代信息技术的飞速发展和广泛应用。纵观人类社会发展史和科学技术史，信息技术在众多的科学技术群体中越来越显示出强大的生命力。随着科学技术的飞速发展，各种高新技术层出不穷，日新月异，但是最主要、发展最快的仍然是信息技术。
（1）信息技术的定义
随着信息技术的发展，信息技术的内涵也在不断变化，因此至今仍没有统一的定义。一般来说，信息的采集、加工、存储和利用过程中的每一种技术都是信息技术，这是一种狭义的定义。在现代信息社会中，技术发展能够导致虚拟现实的产生，信息技术本质也被改写，一切可以用二进制进行编码的东西都被称为信息。因此，联合国教科文组织对信息技术的定义是：应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方面的技巧和应用；计算机及其与人、机的相互作用；与之相应的社会、经济和文化等诸种事物。在这个目前世界范围内较为统一的定义中，信息技术一般是指一系列与计算机相关的技术。该定义侧重于信息技术的应用，对信息技术可能对社会、科技、人们的日常生活产生的影响及其相互作用进行了广泛的研究。
信息技术不仅包括现代信息技术，还包括现代文明之前的原始时代和古代社会中与那个时代相对应的信息技术。不能把信息技术等同为现代信息技术。现代信息技术是借助以微电子学为基础的计算机技术和电信技术的结合而形成的手段，对声音的、图像的、文字的、数字的和各种传感信号的信息进行获取、加工、处理、储存、传播和使用的能动技术。
（2）现代信息技术的内容
一般来说，信息技术包含三个层次的内容：信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。
1）信息基础技术
信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。近几十年来、发展最快、应用最广泛、对信息技术以及整个高科技领域的发展影响最大的是微电子技术和光电子技术。
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中各项工艺技术的总和。
光电子技术是由光子技术和电子技术结合而成的新技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。
2）信息系统技术
信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心和支撑技术。
感测技术就是获取信息的技术，主要是对信息进行提取、识别或检测并能通过一定的计算方式显示计算结果。
通信技术，一般是指电信技术，国际上称为远程通信技术。
计算机与智能技术是以人工智能理论和方法为核心，研究如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能；如何设计和建造具有高智能水平的计算机应用系统；如何设计和制造更聪明的计算机。一个完整的智能行为周期为：从机器感知，到知识表达；从机器学习，到知识发现；从搜索推理，到规划决策；从智能交互，到机器行为，到人工生命等，构成了智能科学与技术学科特有的认识对象。
控制技术是指对组织行为进行控制的技术。控制技术是多种多样的，常用的控制技术有信息控制技术和网络控制技术两种。
3）信息应用技术
信息应用技术是针对种种实用目的，如信息管理、信息控制、信息决策而发展起来的具体的技术群类。如工业自动化、办公自动化、家庭自动化、人工智能和互联通信技术等，它们是信息技术开发的根本目的所在。
信息技术在社会的各个领域得到了广泛的应用，显示出了强大的生命力。纵观人类科技发展的历程，还没有一项技术像信息技术一样对人类社会产生如此巨大的影响。
（3）现代信息技术的发展趋势
展望未来，在社会生产力发展、人类认识和实践活动的推动下，信息技术将得到更深、更广、更快的发展，其发展趋势可以概括为数字化、多媒体化、高速度、网络化、宽频带、智能化等。
1）数字化
当信息被数字化并经由数字网络流通时，一个拥有无数可能性的全新世界便由此揭开序幕。大量信息可以被压缩，并以光速进行传输，数字传输的品质又比模拟传输的品质要好得多。许多种信息形态能够被结合、被创造，例如多媒体文件。无论在世界的任何地方，都可以立即存储和取用信息，这是即时存取了大部分人类文明进化的记录。新的数字产品也将被制造出来，有些小巧得可以放进你的口袋里，有些则足以对商业和个人生活的各层面都造成重大影响。
2）多媒体化
随着未来信息技术的发展，多媒体技术将文字、声音、图形、图像、视频等信息媒体与计算机集成在一起，使计算机的应用由单纯的文字处理进入文、图、声、影集成处理。随着数字化技术的发展和成熟，以上每一种媒体都将被数字化并容纳进多媒体的集合里，系统将信息整合在人们的日常生活中，已接近与人类的工作方法和思维方式来设计与操作。
3）高速度、网络化、宽频带
目前，几乎所有的国家都在进行最新一代的信息基础设施建设，即建设宽频信息高速公路。尽管今日的Internet已经能够传输多媒体信息，但仍然被认为是一条频带宽度低的网络路径，被形象地称为一条花园小径。下一代的Internet技术（Internet 2）的传输速率将可以达到2.4GB/s。实现宽频的多媒体网络是未来信息技术的发展趋势之一。
4）智能化
直到今日，不仅是信息处理装置本身几乎没有智慧，作为传输信息的网络也几乎没有智能。对于大多数人而言，只是为了找寻有限的信息，却要在网络上耗费许多时间。随着未来信息技术向着智能化的方向发展，在超媒体的世界里，“软件代理”可以替人们在网络上漫游。“软件代理”不再需要浏览器，它本身就是信息的寻找器，它能够收集任何可能想要在网络上获取的信息。