1.2　計算機的發展

1.2.1　電子計算機的發展歷程

計算機界傳統的觀點是將計算機的發展大致分為4代，這種劃分是以構成計算機的基本邏輯部件所用的電子元器件的變遷為依據的。從電子管到晶體管，再由晶體管到中小規模集成電路，再到大規模集成電路直至現今的超大規模集成電路，元器件的制造技術發生了幾次重大的革命，芯片的集成度不斷提高，這些使計算機的硬件得以迅猛發展。

從第一臺計算機誕生以來的70余年時間里，計算機的發展過程可以劃分如下：

1.第一代計算機（1946—1954年）：電子管計算機時代

第一代計算機是電子管計算機，其基本元件是電子管，內存儲器采用水銀延遲線，外存儲器有紙帶、卡片、磁帶和磁鼓等。受當時電子技術的限制，運算速度僅為每秒幾千次到幾萬次，而且內存儲器容量也非常小，僅為1000～4000B。

此時的計算機程序設計語言還處于最低階段，要用二進制代碼表示的機器語言進行編程，工作十分煩瑣，直到20世紀50年代末才出現了稍微方便一點的匯編語言。

第一代計算機體積龐大，造價昂貴，因此基本上局限于軍事研究領域的狹小天地里，主要用于數值計算。UNIVAC（Universal Automatic Computer，通用自動計算機）是第一代計算機的代表，于1951年首次交付美國人口統計局使用。它的交付使用標志著計算機從實驗室進入了市場，從軍事應用領域轉入數據處理領域。

2.第二代計算機（1955—1964年）：晶體管計算機時代

晶體管的發明標志著一個新的電子時代的到來。1947年，貝爾實驗室的兩位科學家布拉頓（W.Brattain）和巴丁（J.Bardeen）發明了點觸型晶體管，1950年科學家肖克利（W.Shockley）又發明了面結型晶體管。比起電子管，晶體管具有體積小、重量輕、壽命長、功耗低、發熱少、速度快等特點，使用晶體管的計算機，其電子線路結構變得十分簡單，運算速度大幅度提高。

第二代計算機是晶體管計算機，以晶體管為主要邏輯元件，內存儲器使用磁芯，外存儲器有磁盤和磁帶，運算速度從每秒幾萬次提高到幾十萬次，內存儲器容量也擴大到了幾十萬字節。

1955年，美國貝爾實驗室研制出了世界上第一臺全晶體管計算機TRADIC，如圖1-3所示。它裝有800個晶體管，功率僅為100W。1959年，IBM公司推出了晶體管化的7000系列計算機，其典型產品IBM 7090是第二代計算機的代表，在1960—1964年間占據著計算機領域的統治地位。

此時，計算機軟件也有了較大的發展，出現了監控程序并發展為后來的操作系統，高級程序設計語言也相繼推出。1957年，IBM研制出公式語言FORTRAN；1959年，美國數據系統語言委員會推出了商用語言COBOL；1964年，Dartmouth大學的J.Kemeny和T.Kurtz提出了BASIC。高級語言的出現，使得人們不必學習計算機的內部結構就可以編程使用計算機，為計算機的普及提供了可能。

第二代計算機與第一代計算機相比，體積小、成本低、重量輕、功耗小、速度快、功能強且可靠性高，使用范圍也由單一的科學計算擴展到數據處理和事務管理等其他領域中。

3.第三代計算機（1965—1971年）：中小規模集成電路計算機時代

1958年，美國物理學家基爾比（J.Kilby）和諾伊斯（N.Noyce）同時發明了集成電路。集成電路是用特殊的工藝將大量完整的電子線路制作在一個硅片上。與晶體管電路相比，集成電路計算機的體積、重量、功耗都進一步減小，而運算速度、運算功能和可靠性則進一步提高。

第三代計算機的主要元件采用小規模集成電路（Small Scale Integrated，SSI）和中規模集成電路（Medium Scale Integrated，MSI），主存儲器開始采用半導體存儲器，外存儲器使用磁盤和磁帶。

IBM公司1964年研制出的IBM S/360系列計算機是第三代計算機的代表產品，它包括6個型號的大、中、小型計算機和44種配套設備，從功能較弱的360/51小型機，到功能超過它500倍的360/91大型機。IBM為此耗時3年，投入50億美元的研發費，超過了第二次世界大戰時期原子彈的研制費用。IBM S/360系列計算機是當時最成功的計算機，5年之內售出32300臺，創造了計算機銷售中的奇跡，奠定了“藍色巨人”在當時計算機業的統治地位。此后，IBM又研制出與IBM S/360兼容的IBM S/370，其中最高檔的370/168機型的運算速度已達每秒250萬次。

軟件在這個時期形成了產業，操作系統在種類、規模和功能上發展很快，通過分時操作系統，用戶可以共享計算機資源。結構化、模塊化的程序設計思想被提出，而且出現了結構化的程序設計語言Pascal。

4.第四代計算機（1971年至今）：大規模和超大規模集成電路計算機時代

隨著集成電路技術的不斷發展，單個硅片可容納電子線路的數目也在迅速增加。20世紀70年代初期出現了可容納數千個至數萬個晶體管的大規模集成電路（Large Scale Integrated，LSI），20世紀70年代末期又出現了一個芯片上可容納幾萬個到幾十萬個晶體管的超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated，VLSI）。利用VLSI技術，能把計算機的核心部件甚至整個計算機都做在一個硅片上。一個芯片顯微結構如圖1-4所示。

第四代計算機的主要元件采用大規模集成電路和超大規模集成電路。集成度很高的半導體存儲器完全代替了磁芯存儲器，外存磁盤的存取速度和存儲容量大幅度上升，計算機的速度可達每秒幾百萬次至上億次，而其體積、重量和耗電量卻進一步減少，計算機的性能價格比基本上以每18個月翻一番的速度上升，此即著名的More定律。

美國ILLIAC-IV計算機，是第一臺全面使用大規模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計算機，它標志著計算機的發展已進入到了第四代。1975年，美國阿姆爾公司研制成470V/6型計算機，隨后日本富士通公司生產出M-190計算機，是比較有代表性的第四代計算機。英國曼徹斯特大學1968年開始研制第四代計算機，1974年研制成功DAP系列計算機。1973年，德國西門子公司、法國國際信息公司與荷蘭飛利浦公司聯合成立了統一數據公司，研制出Unidata 7710系列計算機。

這一時期的計算機軟件也有了飛速發展，軟件工程的概念開始提出，操作系統向虛擬操作系統發展，計算機應用也從最初的數值計算演變為信息處理，各種應用軟件豐富多彩，在各行業中都有應用，大大拓展了計算機的應用領域。

從第一代到第四代，計算機的體系結構都是采用馮·諾依曼的體系結構，科學家試圖突破馮·諾依曼的體系結構，研制新一代的更高性能的計算機。1982年以后，許多國家開始研制第五代計算機，其特點是以人工智能原理為基礎，希望突破原有的計算機體系結構模式。之后，又提出了第六代計算機——生物計算機、神經網絡計算機等新概念，這些計算機都屬于新一代計算機。

5.第五代計算機：智能計算機

第五代計算機指具有人工智能的新一代計算機，它具有推理、聯想、判斷、決策、學習等功能。日本在1981年首先宣布進行第五代計算機的研制，并為此投入上千億日元。這一宏偉計劃曾引起世界矚目，但現在來看，日本原來的研究計劃只能說是部分地實現了。

第五代計算機的系統設計中考慮了編制知識庫管理軟件和推理機，機器本身能根據存儲的知識進行判斷和推理。同時，多媒體技術得到廣泛應用，使人們能用語音、圖像、視頻等更自然的方式與計算機進行信息交互。智能計算機的主要特征是具備人工智能，能像人一樣思維，并且運算速度極快。其硬件系統支持高度并行和推理，其軟件系統能夠處理知識信息。神經網絡計算機（也稱神經元計算機）是智能計算機的重要代表。

第五代計算機系統結構將突破傳統的馮·諾依曼的體系結構。這方面的研究課題應包括邏輯程序設計機、函數機、相關代數機、抽象數據型支援機、數據流機、關系數據庫機、分布式數據庫系統、分布式信息通信網絡等。

6.第六代計算機：生物計算機

半導體硅晶片的電路密集、散熱問題難以徹底解決，影響了計算機性能的進一步發揮與突破。研究人員發現，脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結構能容納巨量信息，其存儲量相當于半導體芯片的數百萬倍。一個蛋白質分子就是存儲體，而且阻抗低、能耗小、發熱量極低。

基于此，利用蛋白質分子制造出基因芯片，研制生物計算機（也稱分子計算機、基因計算機），已成為當今計算機技術的最前沿。生物計算機比硅晶片計算機在速度、性能上有質的飛躍，被視為極具發展潛力的“第六代計算機”。

生物計算機的主要原材料是借助生物工程技術（特別是蛋白質工程）生產的蛋白質分子，以它作為生物集成電路——生物芯片。在生物芯片中，信息以波的形式傳遞。當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈單鍵、雙鍵結構順序的改變。因此，當一列波傳播到分子鏈的某一部位時，它們就像硅集成電路中的載流子（電流的載體叫作載流子）那樣傳遞信息。由于蛋白質分子比硅芯片上的電子元件要小得多，彼此相距很近，因此，生物元件可小到幾十億分之一米，元件的密集度可達每平方厘米10萬億～100萬億個，甚至1000萬億個門電路。

與普通計算機不同的是，由于生物芯片的原材料是蛋白質分子，所以，生物計算機芯片既有自我修復的功能，又可直接與生物活體結合。同時，生物芯片具有發熱少、功能低、電路間無信號干擾等優點。

生物計算機與以邏輯處理為主的第五代計算機不同，它本身可以判斷對象的性質與狀態，并能采取相應的行動，而且它可同時并行處理實時變化的大量數據，并引出結論。以往的信息處理系統只能處理條理清晰、經絡分明的數據。而人的大腦活動具有能處理零碎、含糊不清信息的靈活性，第六代計算機將具有類似人腦的智慧和靈活性。