1.1 計算需求與計算機技術的發展

計算機是20世紀最偉大的科學技術發明之一，對人類的生產活動和社會活動產生了極其重要的影響。其應用領域從最初的軍事科研應用擴展到社會的各個領域，已形成了規模巨大的計算機產業，帶動了全球范圍的技術進步，由此引發了深刻的社會變革，計算機已遍及一般學校、企事業單位，進入尋常百姓家，成為信息社會中必不可少的工具。計算機技術是當今世界上發展最快和應用最廣的技術，操作使用計算機已經成為社會各行各業勞動者必備的工作技能。隨著電子時代的到來，新的理念和結構也在不斷地形成和完善，網絡為人類的工作學習和生活帶來了極大的方便，計算機網絡技術的發展對人類技術史的發展產生了不可磨滅的深遠影響。

當下正處于信息時代“互聯網+”“人工智能+”的深刻變革中，人們不再僅僅依靠傳統的物質和能量，而更加依靠計算機技術帶來的深刻變革。計算機從一個理論上的裝置演變成幾乎人手一臺的機器。什么是計算，什么是可計算，什么是可行計算，等等，不僅推動了計算機科學和工程的發展，也推動了計算思維本身的發展。在這個過程中，一些屬于計算思維的特點被逐步揭示出來，計算思維與邏輯思維和實證思維的差別越來越清晰化。

計算機的出現催生了計算機程序的興起和發展。計算機程序就是對于所要解決的問題，用一種計算機可以理解的方式來進行描述。由于計算機是一個機械的執行機構，因此，若要把一個計算過程描述清楚，使得計算機可以實現期望的輸出結果，就需要對這個過程進行十分清楚和準確的描述。

以下從計算機的發展階段（原始計算方法、機械式計算技術、機電式計算技術、電子式計算）到計算機技術研究熱點（并行和分布式計算和云計算和虛擬化技術等）和未來計算方式等方面進行梳理。

1.1.1 原始計算方法及工具的使用

數字的出現是在人們的財產多到要數一數才能搞清楚有多少的時代。在遠古時代的原始部落，物質極其匱乏，在那個時代是不可能出現完整的計數系統的。為了方便計數，早期人類還將數字一道道地刻在木頭、骨頭或者其他便于攜帶的物件上，這是科學家認為迄今發現最早的人類計數工具[1]。

公元前770年左右，我國祖先發明了算籌（見圖1-1）；公元8世紀，發明了算盤。此時對應的原始計算工具算籌、算盤以及歐洲人利用“格子乘法”原理制成的計算工具和計算尺等，這些原始計算工具都能看成是計算機發展的雛形[2]。

1.1.2 機械式計算技術

早在17世紀的歐洲，一批數學家就已經開始設計和制造以數字形式進行基本運算的數字計算機。17世紀到19世紀中期，德國科學家契克卡德在1623年造出世界上已知的第一部機械式計算機，這部機械式計算機能進行六位數的加減乘除。而計算機的概念提出則是在法國著名科學家帕斯卡發明機械計算機后。

帕斯卡發明的計算機是一種由一系列齒輪組成的裝置，外形像一個長方盒子，用兒童玩具那種鑰匙旋緊發條后才能轉動，只能夠做加法和減法（見圖1-2）。

萊布尼茨在1673年發明了乘法自動計算機，簡稱乘法機，除了體積較大之外，基本原理繼承于帕斯卡的機械計算機。萊布尼茨設計的乘法機如圖1-3所示。

1822年英國數學家巴比奇發明了差分機（見圖1-4），差分機可用于航海和天文計算，但不能把計算結果存儲下來。

19世紀以后，各個科學領域和技術部門的計算困難問題堆積如山，嚴重阻礙了科學技術的發展，特別是第二次世界大戰爆發前后，軍事科學技術對高速計算工具的需求尤為迫切。在此期間，德美英等國都在進行計算機的研制工作，幾乎同時開始了機電式計算機和電子計算機的研究工作。

1.1.3 機電式計算技術

1889年，美國科學家赫爾曼研制出以電力為基礎的電動制表機，可用于存儲資料。而在1938年，德國科學家朱斯成功地設計制造了第一臺純機械計算機后的二進制Z-1計算機，其中Z-3型計算機（見圖1-5）是世界上第一臺通用程序控制機電式計算機，它不僅全部采用繼電器，同時采用了浮點計數法、帶數字存儲地址的指令形式等。

1930年，美國科學家范內瓦·布什造出世界上首臺模擬電子計算機。1944年，美國科學家艾肯成功研制了第一臺機電計算機，并將其命名為自動順序控制計算器MARK-I。該計算機有半個足球場大，內含500英里的電線，使用電磁信號來移動機械部件，計算速度很慢，3～5秒才能計算一次，并且適用性很差。3年后，艾肯又研制出運算速度更快的MARK-II。到1949年，由于當時電子管技術已取得重大進步，于是艾肯研制出采用電子管的計算機MARK-III（見圖1-6）。

1946年2月美國賓夕法尼亞大學莫爾學院研制的大型電子數字積分計算機（ENIAC），最初也專門用于火炮彈道計算，后經多次改進而成為能進行各種科學計算的通用計算機。這臺完全采用電子線路執行算術運算、邏輯運算和信息存儲的計算機，運算速度比繼電器計算機快1000倍。這就是人們常常提到的世界上第一臺電子計算機。

1.1.4 電子計算技術

1944年，馮·諾依曼明確指出了整個計算機的結構應由5個部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置。馮·諾依曼的這些理論的提出，解決了計算機的運算自動化的問題和速度配合問題，對后來計算機的發展起到了決定性的作用。直至今天，絕大部分的計算機還是采用馮·諾依曼方式工作。

晶體管計算機（1956～1962年）時代的邏輯元件為晶體管。1956年晶體管作為邏輯元件在計算機中使用，晶體管和磁芯存儲器造就了第二代計算機的產生。第二代計算機體積小、速度快、功耗低、性能更穩定。早期的超級計算機首先使用晶體管技術，主要用于原子科學的大量數據處理。在1960年，出現了一些應用于商業領域、大學和政府部門的第二代計算機。

1958年美國德克薩斯州的工程師杰克·基爾比發明了集成電路（Integrated Circuit,IC），多種電子元件被集成到單一的半導體芯片上。此后計算機的發展便進入了集成電路時代，發展歷程依次為中小規模-大規模-超大規模。

1971年11月15日，霍夫在 INTEL公司開發成功第一塊微處理器 4004，含有2300個晶體管，這是一個4位系統，時鐘頻率為108kHz，每秒可執行6萬條指令。這標志著大規模集成電路（Large Scale Integration,LSI）時代的開始。從計算機技術的發展歷程不難看出，電子管計算機時代的跨度在14年，晶體管計算機時代的跨度為6年，集成電路計算機時代的跨度6年，而大規模集成電路計算機時代已經經歷了45年。大規模集成電路的發展推動半導體芯片集成度的提高，每塊芯片可容納數萬乃至數百萬個晶體管，并且可以把運算器和控制器都集中在一個芯片上，從而出現了微處理器，并且可以用微處理器與大規模、超大規模集成電路組裝成微型計算機，這才能讓計算機應用領域從科學計算、事務管理、過程控制逐步走向家庭。

自20世紀中期以來，計算機一直處于高速度發展時期，計算機由僅包含硬件發展到包含硬件、軟件和固件3類子系統的計算機系統。計算機系統的性能價格比，平均每10年提高兩個數量級。計算機種類也一再分化，發展成微型計算機、小型計算機、通用計算機（包括巨型、大型和中型計算機），以及各種專用機（如各種控制計算機、模擬—數字混合計算機）等。

目前的微處理器系統的問題主要體現在以下方面：

（1）現在計算機微處理器的結構不均衡；

（2）所有的處理過程主要通過CPU完成，增加了CPU和總線的壓力；

（3）專家通過修改電路設計來適應需要的過程需要傾注大量努力。

計算機技術當下創新研究的關鍵點是發展微處理器的操作與研究。微處理器是計算機工作的核心技術，也是幫助計算機實現對數據和信息處理的關鍵性設備。

1.1.5 并行與分布式計算技術

并行與分布式計算技術在當今計算機領域已有舉足輕重的地位。從計算機硬件設備看，半導體技術的不斷進步使得單位芯片面積集成的晶體管數目不斷增長，但是由于功耗、復雜性等方面的限制，傳統的通過提高主頻、增加結構的復雜度來追求性能提升的道路，已經不能充分地利用豐富的晶體管資源提高應用程序性能，并行計算技術已成為發展必然。這些真實的需求是推動計算向并行與分布式計算方向轉變的原動力，并行與分布式計算勢在必行[3]。

并行計算（Parallel Computing）是相對于串行計算來說的，這是一種一次可以執行多個指令的算法，目標是提高計算速度，及通過擴大問題求解規模，解決大型而復雜的計算問題。多核并行計算將成為未來計算的主流。

并行計算其思想是用多個處理器來協同求解同一問題，即將被求解問題分解成若干部分，各個部分均有一個獨立的處理機來并行計算。

分布式計算（Distributed Computing）是一種新的計算方式。分布式計算就是在兩個或多個軟件互相共享信息，這些軟件既可以在同一臺計算機上運行，也可以在通過網絡連接起來的多臺計算機上運行。分布式計算與其他算法相比具有以下幾個優點：

（1）稀有資源可以共享；

（2）通過分布式計算可以在多臺計算機上平衡計算負載；

（3）可以把程序放在最適合它的計算機上。

1.1.6 云計算與虛擬化技術

云計算作為一種計算模式，全球主要信息技術公司紛紛建立起各自的云數據中心，推動了云計算的發展與應用。云計算是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，是分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡、熱備份冗余等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物。云計算是通過計算大量分布式計算機，而非本地計算機或遠程服務器，這些許多可同時工作的“云服務器”按照一定的拓撲結構組成。企業數據中心的運行將與互聯網更相似，這使得企業能夠將資源切換到需要的應用上，根據需求訪問計算機和存儲系統。

云計算的特點有：超大規模、虛擬化（云計算支持用戶在任何位置使用各終端獲取應用服務）、高可靠性、通用性、高可擴展性、按需服務、極其廉價，但同時也具有一定的潛在危險性。

出于安全考慮，大多數終端用戶不愿意把很多硬件驅動的終端程序或某些隱私數據放在云中存儲或計算。對于CPU密集型的計算任務，它主要負載在一個快速的多核客戶端而不是云端上進行計算，多核客戶端/移動計算將成為未來的主要計算方式。

云計算的服務形式：基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。

云計算中的技術包括：編程模式、海量數據分布存儲技術、海量數據管理技術、虛擬化技術和云計算平臺管理技術。云計算服務可分為公有云、私有云和混合云。面向企業級品質和面向企業客戶：從數據中心建設，全球化光纖網絡和虛擬化技術（Hyper-V）到操作系統再到運行云服務的各項基礎軟件。云計算是一種服務，虛擬化和分布式系統都是用來實現云計算的關鍵技術之一。云計算將帶來數據中心內應用、網絡、計算、存儲和全面融合，隨著分布式計算模式的部署，服務器之間的任務協作程度進一步提高，網絡成為決定云計算性能關鍵因素之一[4]。

在計算機中，虛擬化技術是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉化后呈現出來，打破實體結構間不可人格化的障礙，使用戶可以用比原本的組態更好的方式來應用這些資源。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和資料存儲，在虛擬化技術中，可以同時運行多個操作系統，而且每一個操作系統都有多個程序一起運行，每一個操作系統都運行在一個虛擬 CPU 或者虛擬主機上。完整的虛擬化技術需要 CPU、主板芯片組、BIOS和軟件的支持，例如，VMM軟件或者操作系統本身。

1.1.7 未來計算方式

隨著時代的不斷變革和發展，大規模和超大規模集成電路計算機也處在一個不斷發展與創新的過程中，一系列新型計算機已經在醞釀發展過程中，如生物計算機、量子計算機、光子計算機以及納米計算機等。盡管這些新型計算機的技術還未成型，或者技術發展沒有十分成熟，但是它們代表著計算機技術發展的新方向和新趨勢[5]。基于集成電路的計算機短期內還不會退出歷史舞臺，科研人員正在對這些新型計算機加緊研究。

量子計算機：以處于量子狀態的原子作為中央處理器和內存，利用原子的量子特性進行信息處理。由于原子具有在同一時間處于兩個不同位置的奇妙特性，即處于量子位的原子既可以代表0或1，也能同時代表0和1以及0和1之間的中間值，所以無論從數據存儲還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的兩倍，高效的運算能力使量子計算機具有廣闊的應用前景。目前，量子計算機只能利用大約5個原子做最簡單的計算。要想做任何有意義的工作都必須使用數百萬個原子。

光計算機：與傳統硅芯片計算機不同，光計算機用光束代替電子進行計算和存儲：它以不同波長的光代表不同的數據，以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數據從一個芯片傳送到另一個芯片。光計算機有全光學型和光電混合型。研制光計算機，需要開發出可用一條光束控制另一條光束變化的光學“晶體管”。現有的光學“晶體管”龐大而笨拙，因此要想短期內使光學計算機實用化還很困難。

納米計算機：在納米尺度下，由于存在量子效應，硅微電子芯片便不能工作。其原因是這種芯片的工作，依據的是固體材料的整體特性，即大量電子參與工作時所呈現的統計平均規律。如果在納米尺度下，利用有限電子運動所表現出來的量子效應，可能就能克服上述困難。可以用不同的原理實現納米級計算，目前已提出了4種工作機制：電子式納米計算技術、基于生物化學物質與DNA的納米計算機、機械式納米計算機、量子波相干計算。

DNA計算機：將DNA堿基對序列作為信息編碼的載體，在試管內控制酶的作用下，使DNA堿基對序列發生反應，以此實現數據運算。DNA計算機的最大優點在于其驚人的存儲容量和運算速度：1立方厘米的DNA存儲的信息比一萬億張光盤存儲的還多；十幾個小時的DNA運算量，就相當于所有計算機問世以來的總運算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有電子計算機的一百億分之一。目前的 DNA 計算機離開發、實際應用還有相當長的距離，尚有許多現實的技術性問題需要解決。

計算機應用的未來發展將主要集中于計算機設備的發展以及計算機與互聯網之間聯系更加緊密的發展。首先從計算機的設備角度來看，未來的計算機設計將會更注重科學之間的相互聯系。量子計算機、神經網絡計算機、化學計算機、光計算機等都會相繼在未來的世界經濟發展進程中起到不可估量的推動作用。并且未來的計算機將會更加注重人類社會生活與自然生態之間的相互聯系，計算機會越來越符合當今綠色生活的時代主題，能耗會大幅降低。