1.1.1　计算机的发展

1.计算机的发展简史

（1）计算机的起源　世界上第一台电子计算机ENIAC（electronic numerical integrator and computer）（图1-1）于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院。ENIAC的研制者是以美籍匈牙利人冯·诺依曼（J.Von Neumann，图1-2）为领导的研制小组，他为这台计算机的成功研制提供了理论基础和指导。

1945年6月，冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人联名发表了一篇长达101页洋洋万言的报告，即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系的结构根基，直到今天，仍被认为是现代电脑科学发展的里程碑式文献。报告明确规定了计算机的五大部件，并用二进制替代十进制运算，大大方便了机器的电路设计。埃德瓦克方案的革命意义在于“存储程序”，即程序也被当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动依程序执行指令，再也不必接通什么线路。后来人们把根据这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。

但学术界公认的电子计算机理论和模型是由英国数学家阿兰·图灵（Alan Mathison Turing，图1-3）于1936年发表的一篇名为《论可计算数及其在判定问题中的应用》的论文奠定的。因此，当美国计算机协会（Association of Computing Machinery，ACM）在1966年纪念电子计算机诞生20周年（即图灵论文发表30周年）之际，决定设立计算机界的第一个奖项——“图灵奖”，以纪念这位计算机科学理论的奠基人。“图灵奖”也被称为计算机界的“诺贝尔奖”。

（2）计算机的发展阶段　现今距ENIAC的诞生已经有70多年。在这段时期，计算机以惊人的速度发展。根据计算机所使用的电子元器件不同，计算机的发展经历了传统意义上的4个时代。

①第一代：电子管计算机（1946～1957）。1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC在费城公之于世。ENIAC是计算机发展史的里程碑，通过不同部分之间的重新接线编程，拥有并行计算能力。ENIAC使用了18000个电子管、70000个电阻器，有500万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比MarkⅠ快1000倍，是第一台普通用途计算机。

与此同时，美国数学家冯·诺依曼提出了现代计算机的基本原理——存储程序控制原理。1949年，冯·诺依曼和莫尔根据存储程序控制原理造出的新计算机EDSAC（electronic delay storage automatic calculator）在英国剑桥大学投入运行。EDSAC是世界上第一台存储程序计算机，是所有现代计算机的原型和范本。

②第二代：晶体管计算机（1958～1964）。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器推动了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。在这一时期出现了高级语言COBOL和FORTRAN，以单词、语句和数学公式代替了含混的二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业（如程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。

③第三代：中小规模集成电路计算机（1965～1970）。虽然晶体管相比于电子管是一个明显的进步，但晶体管依然会产生大量热量，损害计算机内部零件的敏感部分。1958年，德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路（integrated circuit，IC），将3种电子元件结合到一片小小的硅片上，由此才将计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括开始使用操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。

④第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今）。集成电路出现以后，扩大规模成为计算机唯一的发展方向。大规模集成电路（large-scale integration，LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。到20世纪80年代，超大规模集成电路（very-large-scale integration，VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。硬币大小的芯片可以容纳如此数量的元件，使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。2009年Intel公司推出酷睿i系列，采用了领先的32纳米工艺，下一代14纳米工艺正在研发（图1-4）。

计算机发展阶段如表1-1所示。

（3）计算机的发展趋势　自第一台计算机产生至今的半个多世纪里，计算机的应用得到不断拓展，计算机类型不断分化，这就决定计算机的发展也朝着不同的方向延伸。当今计算机技术正朝着巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。

①巨型化：指计算机具有极高的运算速度、大容量的存储空间、更加强大和完善的功能，主要用于航空航天、军事、气象、人工智能、生物工程等领域。目前，我国在巨型机的研究领域处于世界先进水平，主要机型有“天河”系列和“曙光”系列。

②微型化：这是大规模及超大规模集成电路发展的必然。从第一块微处理器芯片问世以来，其发展速度与日俱增。计算机芯片的集成度每18个月翻一番，而价格则减一半，这就是信息技术发展功能与价格比的摩尔定律。计算机芯片集成度越来越高，可实现的功能越来越强，使计算机微型化进程越来越快，普及率越来越广。目前，笔记本计算机、掌上电脑、手表电脑和智能型移动通信终端设备等正在快速发展，逐步改变着人们的生活方式。

③网络化：网络化是计算机技术和通信技术紧密结合的产物。20世纪90年代以来，随着Internet的飞速发展，计算机网络已广泛应用于政府、学校、企业、科研、家庭等领域，越来越多的人接触并了解到计算机网络的概念。计算机网络将不同地理位置上具有独立功能的不同计算机通过通信设备和传输介质互连起来，在通信软件的支持下，实现网络中的计算机之间的资源共享、信息交换、协同工作。计算机网络的发展水平已成为衡量国家现代化程度的重要指标，在社会经济发展中发挥着极其重要的作用。

④多媒体化：现代计算机不仅用来进行计算，还能处理声音、图像、文字、视频和音频信号。

⑤智能化：计算机人工智能的研究建立在现代科学基础之上。智能化是计算机发展的一个重要方向。新一代计算机将可以模拟人的感觉、行为和思维过程的机理，进行“看”“听”“说”“想”“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。智能化是让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。图1-5为采用虚拟现实技术的汽车驾驶模拟器。

2.未来的计算机 迄今为止，无论计算机如何更新换代，几乎都遵循冯·诺依曼结构。按照摩尔定律，每18个月微处理器硅片上晶体管的数量就会翻一番。随着大规模集成电路工艺的发展，芯片的集成度越来越高，但也越来越接近工艺甚至物理的极限。人们意识到，在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍，从基本原理上寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。很多专家把目光投向了最基本的物理原理。过去几百年，物理学原理的应用导致了一系列应用技术的革命，未来以超导、光子、量子、分子和纳米计算机为代表的第五代计算机将推动新一轮计算技术的革命。

（1）超导计算机　所谓超导，是指在接近绝对零度的温度下，电流在某些介质中传输时所受阻力为零的现象。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应”，即由超导体-绝缘体-超导体组成的器件（约瑟夫逊元件），当对其两端加电压时，电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质中穿过，形成微小电流，而该器件的两端电压为零。目前制成的超导开关器件的开关速度已达到几微微秒（0.000000000001秒）的高水平，这是当今所有电子、半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。超导计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。目前如果一台大中型计算机每小时耗电10千瓦，那么同样运算能力的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。

（2）光子计算机　光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”“1”状态变化进行的二进制运算。光的并行、高速性质决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和热量散发极低，对使用环境条件的要求比电子计算机低得多。

人类利用光缆传输数据已经有二十多年的历史，用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。然而想要制造真正的光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管这一基础元件。以现在的技术手段，科学家虽然可以制造出这样的装置，但尚难进入实用阶段。

1990年初，美国贝尔实验室成功研制了一台光学数字处理器，向光子计算机的研制迈进了一大步。二十几年来，光子计算机的关键技术如光存储技术、光互联技术、光集成器件等方面的研究都已取得突破性进展，为光子计算机的研制、开发和应用奠定了基础。

（3）量子计算机　把量子力学和计算机结合起来的可能性是在1982年由美国著名物理学家理查德·费因曼首次提出的。随后，英国牛津大学物理学家戴维·多伊奇于1985年初步阐述了量子计算机的概念，并指出量子并行处理技术会使量子计算机比传统的图灵计算机功能更强大。

量子计算机是根据原子所具有的量子学特性来工作的，是运用量子信息学，基于量子效应构建的一个完全以量子位为基础的计算机。它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。

量子计算机有自身独特的优点和广阔的发展前景。首先，量子计算机能够进行量子并行计算，理论上可达每秒10000亿次，足够让物理学家去模拟原子爆炸等复杂的物理过程。其次，量子计算机用量子位存储数据。再次，量子计算机具有与大脑类似的容错性，当系统的某部分发生故障时，输入的原始数据会自动绕过损坏或出错部分进行正常运算，并不影响最终的计算结果。量子计算机不仅运算速度快、存储量大、功耗低，而且高度微型化和集成化。

2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion”，这是世界上第一台成型的量子计算机，实现了人类在量子计算机上零的突破。2009年，第一台可编程的通用量子计算机在美国问世。

我国在量子计算机研究领域处于世界领先水平。2017年，世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生。2020年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机“九章”，其200秒的“量子算力”相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力，推动全球量子计算的前沿研究达到了一个新高度。据专家预见，再过30年左右，量子计算机将普及，量子计算设备将可以嵌入任何物体当中。

（4）分子计算机　脱氧核糖核酸（DNA）分子计算机，也称生物计算机，主要由生物工程技术产生的蛋白质分子组成的生物芯片构成，通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质相互作用的过程。其转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中明显表示出来。20世纪70年代，人们发现DNA处于不同状态时可以表示信息的有或无。DNA分子中的遗传密码相当于存储的数据，DNA分子间通过生化反应，从一种基因代码转变为另一种基因代码。反应前的基因代码相当于输入数据，反应后的基因代码相当于输出数据。只要能控制这一反应过程，就可以制成DNA计算机。

美国计算机科学家伦纳德·艾德曼已成功研制出一台DNA计算机。DNA分子本质上就是数学式，用它来代表信息是非常方便的，试管中的DNA分子在某种酶的作用下迅速完成生物化学反应。28.3gDNA的运行速度超过现代超级计算机的10万倍。

（5）纳米计算机　即通过纳米技术全新研发的一种高性能新型计算机。纳米技术最早始于20世纪80年代，是科研领域迅速研发而来的前沿技术。此项技术的应用可以让人类按照意愿对某单个原子进行直接操控，从而完成具备特定功用的产品制造。当今的纳米技术起步于MEMS（微电子机械系统），是将电动机、传感器及各类处理器整合起来，并植入一个特定硅芯片内，从而达到系统运作的目的。

面对传统计算机使用的硅芯片已经达到物理极限，体积无法进一步缩小，通电和断电的频率无法再提高，耗电量也无法再降低的局限，科学家认为，解决这个问题的途径是研制“纳米晶体管”，并用这种纳米晶体管来制作“纳米计算机”。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一，但质地异常坚固，超强导电性为其最大亮点。纳米芯片替代硅芯片来制造计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比硅芯片计算机强大许多倍，制造成本也会大大降低。

2013年，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机在美国斯坦福大学成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体技术以生产新型电脑设备。

虽然以超导、光子、量子、分子和纳米技术为代表的第五代计算机还主要处于实验研究阶段，但由于它们具有很高的应用价值，中国、美国、欧洲各国和日本政府一直投入巨资资助相关研究。预计在未来几十年内，这几种新型计算机可取得突破性进展。 dbTuzVanmPCJx3JfNbt3BXBTXlECk/kbITqAGbN4vKb54+5xxMv9Y8tcOEvIXcSv