模块2
计算机基础与应用

任务2.1　了解计算机的发展

2.1.1　学习要点

◆ 了解计算机的发展历程

◆ 理解计算机发展代次的划分

◆ 了解计算机的发展趋势

2.1.2　知识准备

自从人类文明形成，就不断地追求先进的计算工具。计算工具的演化经历了由简单到复杂、从低级到高级的不同阶段，如从“结绳记事”中的绳结到算筹、算盘计算尺、机械计算机等。在西方，1625年英国人威廉·奥特发明计算尺。1642年，法国数学家帕斯卡发明机械计算器，用机械代替了人类的思考记录，标志着人类开始向自动计算工具领域的迈进。

1854年，英国逻辑学家、数学家乔治·布尔设计了一套符号，表示逻辑理论中的基本概念，并规定了运算法则，建立了逻辑代数，为现代计算机采用二进制奠定了理论基础。

1936年，英国数学家图灵发表论文，给出了现代电子计算机的数学模型，从理论上证明了通用计算机产生的可能性。

1945年，美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼首先提出在计算机中存储程序的概念，奠定了现代计算机的结构理论。

一般来说，人们习惯按照使用电子器件的不同，将现代计算机的发展分为四代，即电子管、晶体管、集成电路、大规模超大规模集成电路。

1. 第一代计算机（1946—1957年）

1946年，世界上出现了第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分器和计算器），如图2-1所示。它是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制成的。由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造，其主要发明人是电气工程师普雷斯波·埃克特（J. Prespen Eckert）和物理学家约翰·莫奇勒博士（John W. Mauchly）。它使用了18000只电子管、10000只电容、7000只电阻，体积达3000立方英尺，占地面积为170多平方米，消耗近150千瓦的电力，过去需要100多名工程师花费1年才能解决的计算问题，它只需要2个小时就能给出答案。

ENIAC的问世具有划时代的意义，表明计算机时代的到来，在以后的40多年里，计算机技术发展异常迅速，人类科技史上还没有一种学科可以与电子计算机的发展速度相提并论。

以ENIAC为代表的第一代计算机，其特点是用电子管作为基本电子器件，数据表示定点数；确立了程序设计的概念，使用机器语言或汇编语言；出现了初级的输入/输出（I/O）控制系统。

2. 第二代计算机（1958—1964年）

1954年，美国贝尔实验室成功研制了第一台晶体管电子计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800只晶体管。晶体管电子计算机诞生了，这是第二代电子计算机，如图2-2所示。只要几个大一点的柜子就可将它容下，运算速度也大大地提高了。

第二代计算机以晶体管为主要器件，内存所使用的器件大多使用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器有磁盘、磁带，外设种类也有所增加。软件方面出现了操作系统和算法语言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。它的运算速度可达每秒几万次至几十万次。

3. 第三代计算机（1965—1970年）

1959年2月6日，曾开发出第一台晶体管收音机的TI公司的基尔比（Jack Kilby）向美国专利局申报了“半导体集成电路”的专利。在此之后出现的计算机是第三代集成电路计算机。

第三代计算机普遍采用集成电路，体积缩小，运算速度可达每秒几十万次至几百万次。由于采用了半导体存储器作为主存，存储器的容量与速度都有了革命性的突破，系统软件也在这个阶段有了很大发展，并且出现了计算机高级语言，如BASIC、PASCAL等。这个时期，计算机同时向标准化、多样化、通用化、机种系列化发展，特别值得指出的是，在20世纪70年代后期出现了微型计算机，使计算机进入了大批量生产的阶段。

4. 第四代计算机（1971至今）

从20世纪70年代开始，这是计算机发展的最新阶段。到1976年，由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一号”，使计算机进入了第四代，以大规模和超大规模集成电路为主要器件，运算速度可达每秒几百万次至上亿次。超大规模集成电路的发明，使电子计算机不断向小型化、微型化、低功耗、智能化、系统化的方向更新换代，计算机的发展阶段如表2-1所示。

从1946年第一台存储程序的电子计算机诞生之后，计算机技术的进步突飞猛进，虽然体积不断变小，但性能、速度却在不断提高。然而，人类的追求是无止境的，一刻也没有停止过研究更好、更快、功能更强大的计算机，计算机将朝着微型化、巨型化、多媒体化、网络化和智能化方向发展。从目前的研究情况看，未来新型计算机将可能在下列几个方面取得革命性的突破。

（1）光子计算机

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。它主要由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，依靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速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。光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某个元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。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、转换时能量消耗和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

（2）生物计算机

生物计算机（仿生计算机），主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。信息以波的形式传播，当波沿着蛋白质分子链传播时，就会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化。运算速度要比最新一代计算机快10万倍，它具有很强的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。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，自动修复芯片中发生的故障，还能模仿人脑的思考机制等。

（3）超导计算机

超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，其开关速度可达到几微微秒/次，运算速度比现在的电子计算机要快，电能消耗量少。它早期的工作主要是延续传统半导体计算机的设计思路，将半导体材料的逻辑门电路改为使用超导体材料的逻辑门电路，并且在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，实施超导计算机计划的费用昂贵。在1986年以后，高温超导体的发现使人们可以在液氦温区获得新型超导材料，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，其运算速度是传统计算机无法比拟的。所以，世界各国科学家都在研究超导计算机，但还有许多技术难关有待突破。

（4）量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。它的主要特点有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机相比，信息处理量越多，对于量子计算机实施运算就越有利，也就更能确保其运算具备精准性。

2017年5月3日，中国科学院潘建伟团队构建的光量子计算机实验样机的计算能力已超越了早期计算机。此外，中国科研团队完成了10个超导量子比特的操纵，成功打破了世界上最大位数的超导量子比特的纠缠和完整测量的记录。

（5）人工智能计算机

人工智能计算机不仅能模仿人类的左脑进行逻辑思维，而且能模仿人类的右脑进行形象思维，程序设计人员成功地把计算机设计得像人，来模拟人的思维、人的说话及人的感觉，以假乱真。未来的计算机与人类打交道将更加频繁，所以让计算机能够理解人们的情感是很必要的。计算机必须能够根据人的喜、怒、哀、乐等感情反应，来为其主人做出相应的决定。

（6）纳米计算机

纳米计算机指将纳米技术运用于计算机领域所研制出的一种新型计算机。“纳米”本是一个计量单位，采用纳米技术生产芯片成本十分低廉，因为它既不需要建设超洁净生产车间，也不需要昂贵的实验设备和庞大的生产队伍。只要在实验室里将设计好的分子合在一起，就可以造出芯片，大大降低了生产成本。

2013年9月26日美国斯坦福大学宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机已测试运行成功，该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，完全可以摆脱当前硅晶体技术来生产新型的计算机设备。