1.4 計(jì)算工具與計(jì)算機(jī)

計(jì)算無(wú)處不在，計(jì)算工具是人們?cè)谟?jì)算或輔助計(jì)算時(shí)所用的器具。在浩瀚的歷史長(zhǎng)河中，計(jì)算工具經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)、從低速到高速、從功能單一到功能多樣的過(guò)程。計(jì)算工具的發(fā)展以特有的方式體現(xiàn)了社會(huì)文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。當(dāng)代的主流計(jì)算工具是計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)作為一種能自動(dòng)、高速、精確地進(jìn)行信息處理的電子設(shè)備，成為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。

1.4.1 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生

為了滿足社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，人類在不同的時(shí)期發(fā)明了各種計(jì)算工具。

在原始社會(huì)，人們?cè)褂脴?shù)枝、石塊等物品作為計(jì)數(shù)和計(jì)算的工具。至遲在商代時(shí)，人們已開(kāi)始采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)法，該計(jì)數(shù)法對(duì)科學(xué)和文化的發(fā)展起著不可估量的作用。算籌法在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期已有記載，算籌被普遍認(rèn)為是人類最早的手動(dòng)計(jì)算工具。南北朝時(shí)期的數(shù)學(xué)家祖沖之就是用算籌計(jì)算出圓周率在3.1415926和3.1415927之間，這一結(jié)果比西方早一千多年。在長(zhǎng)期使用算籌的基礎(chǔ)上，東漢時(shí)期，人們又發(fā)明了算盤。由于算盤制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，運(yùn)算簡(jiǎn)便，珠算口訣便于記憶，所以被廣泛使用，并且陸續(xù)流傳到了日本、朝鮮、美國(guó)和東南亞等國(guó)家和地區(qū)。

隨著經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易事業(yè)的發(fā)展，以及金融業(yè)和航運(yùn)業(yè)的日漸繁榮，需要大量復(fù)雜、繁重的計(jì)算，而且計(jì)算問(wèn)題多與天文、航海有關(guān)，這就促進(jìn)了計(jì)算工具的改革。1621年，英國(guó)數(shù)學(xué)家埃德蒙·岡特（Edmund Gunter）制造出第一把對(duì)數(shù)計(jì)算尺，給數(shù)的乘除計(jì)算帶來(lái)了方便。同年，英國(guó)數(shù)學(xué)家威廉·奧特瑞德（William Oughtred）在岡特計(jì)算尺的基礎(chǔ)上發(fā)明了直尺計(jì)算尺，如圖1-5所示。1622年，奧特瑞德根據(jù)對(duì)數(shù)表設(shè)計(jì)了計(jì)算尺，可執(zhí)行加、減、乘、除、開(kāi)方、三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)的運(yùn)算。直到20世紀(jì)70年代，計(jì)算尺才被電子計(jì)算器取代。

生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，繼續(xù)推動(dòng)著計(jì)算工具的發(fā)展。特別是齒輪傳動(dòng)裝置技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)械計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生提供了必要的技術(shù)支持。1642年，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家布萊斯·帕斯卡（Blaise Pascal）研制出了世界上第一臺(tái)機(jī)械式齒輪加法器，這是人類歷史上第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算工具，其原理對(duì)后來(lái)的計(jì)算工具產(chǎn)生了持久的影響。帕斯卡加法器是由齒輪組成、以發(fā)條為動(dòng)力、通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算、用連桿實(shí)現(xiàn)進(jìn)位的計(jì)算裝置。1673年，德國(guó)數(shù)學(xué)家戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfriend Leibniz）在帕斯卡研究的基礎(chǔ)上增加了乘除法器，制成可以進(jìn)行四則運(yùn)算的機(jī)械式計(jì)算器，并可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)做加減運(yùn)算，這一實(shí)現(xiàn)思想也是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)做乘除運(yùn)算所采用的辦法。但是，以上這些計(jì)算器都不具備自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算的功能。

受法國(guó)工程師約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（Joseph Marie Jacquard）發(fā)明的自動(dòng)提花織布機(jī)的啟發(fā)，英國(guó)數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）提出了帶有程序控制的通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本設(shè)計(jì)思想，并于1822年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)差分機(jī)。巴貝奇差分機(jī)使用十進(jìn)制系統(tǒng)，采用齒輪結(jié)構(gòu)，能夠預(yù)先安排完成一系列算術(shù)運(yùn)算。1834年，巴貝奇設(shè)計(jì)了分析機(jī)，它具有輸入、處理、存儲(chǔ)、輸出及控制5個(gè)基本裝置，設(shè)想采用穿孔卡片來(lái)存儲(chǔ)指令，并根據(jù)這些孔的特點(diǎn)來(lái)決定執(zhí)行什么指令，進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算，如圖1-6所示。巴貝奇提出了幾乎是完整的現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案，但是因受當(dāng)時(shí)技術(shù)和資金的限制而失敗。隨著19世紀(jì)中期精密機(jī)械制造技術(shù)和工藝水平的提高，電磁學(xué)等學(xué)科也得到飛速發(fā)展。美國(guó)人霍華德·艾肯（Howard Aiken）采用機(jī)電方法來(lái)實(shí)現(xiàn)巴貝奇分析機(jī)的想法，并在1944年成功制造了自動(dòng)數(shù)字計(jì)算機(jī)MarkⅠ，使巴貝奇的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。MarkⅠ作為世界上最早的通用型自動(dòng)程序控制計(jì)算機(jī)之一，是計(jì)算機(jī)技術(shù)歷史上的一個(gè)重大突破，如圖1-7所示。

20世紀(jì)20年代以后，電子科學(xué)技術(shù)和電子工業(yè)迅速發(fā)展（如電子管、晶體管和集成電路相繼誕生），為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。

美國(guó)艾奧瓦州立大學(xué)的約翰·文森特·阿塔納索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的研究生克里福特·貝瑞（Clifford Berry），于1942年10月研制成第一臺(tái)完全采用真空管作為存儲(chǔ)與運(yùn)算器件的計(jì)算機(jī)——阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī)（Atanasoff-Berry Computer，ABC），如圖1-8所示。ABC計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是最早的電子管計(jì)算機(jī)。阿塔納索夫在研制ABC計(jì)算機(jī)的過(guò)程中提出計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三條原則：使用二進(jìn)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算，以保證精度；利用電子元件和技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制、邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，以保證計(jì)算速度；采用計(jì)算功能和存儲(chǔ)功能相分離的結(jié)構(gòu)。這三條原則對(duì)后來(lái)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)及邏輯設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

任何事物的產(chǎn)生都是有起因的。同以往的許多重大發(fā)明一樣，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的誕生同軍事上的迫切需求緊密相連。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)陸軍軍械部在馬里蘭州的阿伯丁設(shè)立了“彈道研究實(shí)驗(yàn)室”，該實(shí)驗(yàn)室每天要為陸軍提供6張火力表，每張表要計(jì)算幾百條彈道軌跡。而當(dāng)時(shí)一個(gè)熟練的計(jì)算人員用臺(tái)式計(jì)算器計(jì)算一條60秒的彈道就需要20多個(gè)小時(shí)，還常常出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。更為關(guān)鍵的是，由于美軍進(jìn)入非洲作戰(zhàn)，土質(zhì)帶來(lái)的差別導(dǎo)致炮彈根本打不中目標(biāo)，所以軍方領(lǐng)導(dǎo)人命令彈道實(shí)驗(yàn)室重新編制射擊表。時(shí)任彈道實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)人赫爾曼·戈德斯坦（Herman H.Goldstine）估算出，為某一型號(hào)、某一口徑的火炮重新編制射擊表，需要一個(gè)人用臺(tái)式計(jì)算器不吃不喝4～5年才能完成。計(jì)算需求和計(jì)算能力之間的矛盾日益突出，作為數(shù)學(xué)家的戈德斯坦意識(shí)到研制一種高速新型計(jì)算機(jī)的迫切性。于是，在戈德斯坦的推動(dòng)和組織下，陸軍軍械部著手與賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電氣工程學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)電子計(jì)算機(jī)。1942年，莫爾學(xué)院的兩位青年學(xué)者——36歲的副教授約翰·莫克利（John Mauchly）和24歲的工程師約翰·普雷斯伯·?？颂兀↗ohn Presper Eckert）（見(jiàn)圖1-9）提交了一份研制電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案——高速電子管計(jì)算裝置的使用。他們建議用電子管作為主要元件，制造一臺(tái)前所未有的計(jì)算機(jī)，把彈道計(jì)算的效率提高成百上千倍。1943年7月，項(xiàng)目開(kāi)始正式實(shí)施。莫爾學(xué)院組織了50名技術(shù)人員投入該項(xiàng)研究，莫克利作為顧問(wèn)負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)，埃克特?fù)?dān)任總工程師。軍方與莫爾學(xué)院簽訂的協(xié)議是提供14萬(wàn)美元的研制經(jīng)費(fèi)，但后來(lái)合同被修改了12次，經(jīng)費(fèi)一直追加到約48.68萬(wàn)美元，相當(dāng)于現(xiàn)在的1000多萬(wàn)美元。

然而，為支援戰(zhàn)爭(zhēng)而趕制的機(jī)器沒(méi)能在戰(zhàn)爭(zhēng)期間完成，直到1946年2月14日，這臺(tái)標(biāo)志著人類計(jì)算工具的歷史性變革的電子計(jì)算機(jī)才研制成功，這臺(tái)機(jī)器的名字叫ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)），如圖1-10所示。ENIAC占地170m2，重30t，有18000個(gè)電子管，功率為150kW，運(yùn)算速度為加法5000次/s或乘法400次/s。這比當(dāng)時(shí)最快的繼電器計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度要快1000多倍。過(guò)去需要100多名工程師花費(fèi)1年才能解決的計(jì)算問(wèn)題，它只需要2個(gè)小時(shí)就能給出答案。

盡管ENIAC有許多不足之處，如使用十進(jìn)制、不能存儲(chǔ)程序、體積龐大、耗電量大、電子元件壽命短、故障率高、操作困難等，但它畢竟是世界上第一臺(tái)真正意義上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。ENIAC的問(wèn)世具有劃時(shí)代的意義，它揭開(kāi)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)代的序幕，標(biāo)志著人類計(jì)算工具的歷史性變革，為提高計(jì)算速度開(kāi)辟了極為廣闊的前景，也標(biāo)志著人類文明的一個(gè)新起點(diǎn)。

1944年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼（John von Neumann）（見(jiàn)圖1-11）參加的原子彈研制項(xiàng)目受阻，原因同樣是遇到了極為困難的計(jì)算問(wèn)題。諾依曼在一次偶然的機(jī)會(huì)中得知ENIAC的研制計(jì)劃，便投身到這一宏偉的事業(yè)中。諾依曼與?？颂亍⒛死热擞懻揈NIAC的不足，于1945年6月擬定了存儲(chǔ)程序式電子計(jì)算機(jī)方案EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)）。該方案指出了計(jì)算機(jī)應(yīng)由五部分構(gòu)成，提出了程序存儲(chǔ)的思想，成為電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則。根據(jù)這些原理制造的計(jì)算機(jī)稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。由于馮·諾依曼的突出貢獻(xiàn)，他被西方人稱為計(jì)算機(jī)之父。馮·諾依曼等人于1952年成功研制EDVAC。EDVAC采用二進(jìn)制，使用了3600個(gè)電子管，占地面積不足ENIAC的1/3。而世界上首臺(tái)“存儲(chǔ)程序式”電子計(jì)算機(jī)EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，電子延遲存儲(chǔ)自動(dòng)計(jì)算機(jī)）由劍橋大學(xué)的莫里斯·威爾克斯（Maurice V.Wilkes）教授在馮·諾依曼EDVAC草案的啟發(fā)下，于1949年5月研制成功。

1.4.2 計(jì)算機(jī)的分代與分類

1.計(jì)算機(jī)的分代

自1946年電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世至今，計(jì)算機(jī)在制作工藝、元器件、軟件、應(yīng)用領(lǐng)域等各方面飛速發(fā)展。根據(jù)計(jì)算機(jī)所采用的邏輯元件的不同，一般將計(jì)算機(jī)的發(fā)展分成5個(gè)階段，每一階段在技術(shù)上都有嶄新的突破，在性能上都有質(zhì)的飛躍。

（1）第一代計(jì)算機(jī)：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946—1957）

邏輯元件采用電子管，內(nèi)存儲(chǔ)器采用水銀延遲線，外存儲(chǔ)器有紙帶、卡片、磁帶和磁鼓等。軟件使用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫。主要用于軍事和科學(xué)計(jì)算。特點(diǎn)是體積大、耗能高、速度慢（一般每秒數(shù)千次至數(shù)萬(wàn)次）、存儲(chǔ)容量小、價(jià)格昂貴。其代表機(jī)型有EDVAC、IBM704等。

（2）第二代計(jì)算機(jī)：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1958—1964）

晶體管的發(fā)明改變了計(jì)算機(jī)的構(gòu)建方式。IBM公司在1958年制造出第一臺(tái)全部使用晶體管的計(jì)算機(jī)RCA501。邏輯元件采用晶體管，使計(jì)算機(jī)的能耗降低，壽命延長(zhǎng)，運(yùn)算速度提高（一般每秒為數(shù)十萬(wàn)次，甚至可高達(dá)300萬(wàn)次），可靠性提高，價(jià)格不斷下降。第二代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器使用磁芯，外存儲(chǔ)器使用磁盤和磁帶。軟件方面出現(xiàn)了一系列高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如FORTRAN、COBOL等），并提出了操作系統(tǒng)的概念。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了系列化的思想，應(yīng)用范圍也從軍事與科學(xué)計(jì)算方面延伸到工程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、氣象及事務(wù)管理科學(xué)研究領(lǐng)域。與第一代計(jì)算機(jī)相比，第二代計(jì)算機(jī)在體積、成本、重量、功耗、速度以及可靠性等方面有了較大的提高。其代表機(jī)型有IBM7090、ATLAS等。

（3）第三代計(jì)算機(jī)：中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1965—1970）

邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路（Integrated Circuit，IC）。一塊小小的硅片上，可以集成上百萬(wàn)個(gè)電子器件，如晶體管、電阻器或電容器等，因此常把它稱為芯片。主存儲(chǔ)器開(kāi)始使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器使用磁盤和磁帶。在這個(gè)階段，出現(xiàn)了鍵盤和顯示器。軟件方面出現(xiàn)了操作系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計(jì)方法。軟硬件都向標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化、通用化、系列化的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)開(kāi)始廣泛擴(kuò)展到文字處理、圖形處理等領(lǐng)域。其代表機(jī)型有IBM 360和CDC 7600。

（4）第四代計(jì)算機(jī)：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1971年至今）

第四代計(jì)算機(jī)以Intel公司1971年研制的第一臺(tái)微處理器Intel 4004為標(biāo)志，這一芯片集成了2250個(gè)晶體管，其功能相當(dāng)于ENIAC，標(biāo)志著大規(guī)模集成電路時(shí)代的到來(lái)，為微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。中央處理器（Central Process Unit，CPU）高度集成化是這一代計(jì)算機(jī)的主要特征。集成度高的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器完全代替了磁芯存儲(chǔ)器，外存的存儲(chǔ)速度和存儲(chǔ)容量得到大幅度提升。外圍設(shè)備有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了光字符閱讀器（OCR）、掃描儀、激光打印機(jī)和各種繪圖儀。計(jì)算機(jī)的體積、重量、功耗、價(jià)格不斷下降，而性能、速度和可靠性不斷提高，操作系統(tǒng)也在不斷完善，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步發(fā)展。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍遍及網(wǎng)絡(luò)、天氣預(yù)報(bào)和多媒體等領(lǐng)域。

（5）第五代計(jì)算機(jī)

第五代計(jì)算機(jī)是為適應(yīng)未來(lái)社會(huì)信息化的要求而提出的，與前四代計(jì)算機(jī)有著本質(zhì)的區(qū)別，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一次重要變革。第五代計(jì)算機(jī)是把信息采集、存儲(chǔ)、處理、通信同人工智能結(jié)合在一起的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要面向知識(shí)處理，能進(jìn)行并行計(jì)算，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力，能夠幫助人們進(jìn)行判斷、決策、開(kāi)拓未知領(lǐng)域和獲得新的知識(shí)。人機(jī)之間可以直接通過(guò)自然語(yǔ)言（聲音、文字）或圖形、圖像交流和傳輸信息。1981年10月，日本首先向世界宣告開(kāi)始研制第五代計(jì)算機(jī)。后來(lái)，美國(guó)等國(guó)家都先后投入巨資來(lái)研制第五代計(jì)算機(jī)。目前，第五代計(jì)算機(jī)的研制雖取得了一定的研究成果，但至今仍沒(méi)有研制出具備智能特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)。第五代計(jì)算機(jī)的研制對(duì)于人類又是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

2.計(jì)算機(jī)的分類

計(jì)算機(jī)發(fā)展的“分代”代表了計(jì)算機(jī)在時(shí)間軸上縱向的發(fā)展歷程，而“分類”可用來(lái)說(shuō)明計(jì)算機(jī)橫向的發(fā)展。計(jì)算機(jī)種類很多，分類方法也有多種。目前，最常用的一種分類方法是1989年11月IEEE根據(jù)當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的性能及發(fā)展趨勢(shì)，按照運(yùn)算速度、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)性能等綜合指標(biāo)，將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站、微型計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)（見(jiàn)圖1-12）。

（1）巨型機(jī)

巨型機(jī)（super computer）也稱為超級(jí)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱超算。在所有計(jì)算機(jī)類型中，巨型機(jī)占地面積最大，價(jià)格最貴，功能最強(qiáng)，運(yùn)算速度最快。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、軍事實(shí)力的象征。巨型機(jī)主要用于尖端科學(xué)領(lǐng)域，特別是國(guó)防領(lǐng)域。我國(guó)在1983年、1992年、1997年由國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院分別推出了銀河Ⅰ（每秒一億次）、銀河Ⅱ（每秒十億次）、銀河Ⅲ（每秒百億次）計(jì)算機(jī)。銀河系列計(jì)算機(jī)的推出標(biāo)志著中國(guó)成為繼美國(guó)、日本之后第三個(gè)生產(chǎn)巨型機(jī)的國(guó)家。

2023年5月22日，在國(guó)際TOP500組織發(fā)布的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“前沿”（Frontier）超算憑1.194EFIop/s（百億億次）的HPL（High Performance Linpack，高度并行計(jì)算基準(zhǔn)測(cè)試）得分獲得第一名，是目前唯一一臺(tái)真正的百億億次超算。中國(guó)的神威太湖之光和天河二號(hào)位列第7名和第10名。在500強(qiáng)中，中國(guó)總上榜臺(tái)數(shù)為136臺(tái)，居總榜第二位。

（2）大型機(jī)

大型機(jī)（mainframe computer）的主機(jī)非常龐大，采用了多處理、并行處理等技術(shù)，通常具備超大的內(nèi)存、海量的存儲(chǔ)器，使用專用的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。大型機(jī)大量使用冗余等技術(shù)確保其安全性及穩(wěn)定性，具有很強(qiáng)的管理和處理數(shù)據(jù)的能力，主要用于大企業(yè)、銀行、高校和科研院所。目前，生產(chǎn)大型機(jī)的企業(yè)有IBM、Unisys等。

（3）小型機(jī)

小型機(jī)（minicomputer）是20世紀(jì)70年代由美國(guó)的DEC（數(shù)字設(shè)備公司）首先開(kāi)發(fā)的一種高性能計(jì)算產(chǎn)品。小型機(jī)具備高可靠性、高可用性、高服務(wù)性等特性。而且小型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格介于普通服務(wù)器和大型主機(jī)之間，使用和維護(hù)方便，深受中小企業(yè)歡迎。當(dāng)前，生產(chǎn)小型機(jī)的廠家主要有IBM、HP等。

（4）工作站

工作站（workstation）是一種高檔微型機(jī)系統(tǒng)，具有較高的運(yùn)算速度，具有大型機(jī)和小型機(jī)的多任務(wù)、多用戶能力，而且具有操作方便的交互界面。其最突出的特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的圖形交互能力，因此在工程領(lǐng)域特別是圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。目前，許多廠商都推出了適合不同用戶群體的工作站，如IBM、聯(lián)想、DELL（戴爾）、HP（惠普）、Wiseteam等。工業(yè)級(jí)一體化工作站的生產(chǎn)廠家有諾達(dá)佳（NODKA）和研華等。

（5）微型計(jì)算機(jī)

微型計(jì)算機(jī)（microcomputer）簡(jiǎn)稱微機(jī)，通常所說(shuō)的個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）也是指微機(jī)。1981年8月12日，IBM發(fā)布了其第一臺(tái)PC——IBM5150，開(kāi)創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。微機(jī)自產(chǎn)生以來(lái)，以設(shè)計(jì)先進(jìn)、軟件豐富、功能齊全、價(jià)格低廉、體積小等優(yōu)勢(shì)而被廣大用戶青睞。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用?，F(xiàn)在微型機(jī)除了臺(tái)式機(jī)外，還有筆記本式、掌上型和手表型等多種類型。

（6）嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)（embedded computer）是指嵌入各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部的計(jì)算機(jī)。嵌入式計(jì)算機(jī)以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的武器控制中，用于軍事指揮控制和通信系統(tǒng)?，F(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用到生活中的電器設(shè)備中，如掌上PDA、電視機(jī)頂盒、手機(jī)上網(wǎng)設(shè)備、數(shù)字電視、汽車、微波爐、數(shù)碼照相機(jī)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、自動(dòng)售貨機(jī)、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫(yī)療儀器等。

1.4.3 計(jì)算機(jī)在中國(guó)的發(fā)展

1.中國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展史

1956年中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所成立，這是新中國(guó)第一個(gè)有關(guān)計(jì)算技術(shù)的研究所，人們稱之為“中國(guó)計(jì)算機(jī)事業(yè)的搖籃”，標(biāo)志著新中國(guó)計(jì)算機(jī)事業(yè)的開(kāi)始。

1958年6月103型電子計(jì)算機(jī)由中科院計(jì)算所研制成功，運(yùn)行速度為每秒1500次，內(nèi)存為1024字節(jié)。119型電子計(jì)算機(jī)是中國(guó)自行設(shè)計(jì)的電子管大型通用計(jì)算機(jī)，是當(dāng)時(shí)世界上最快的電子管計(jì)算機(jī)。

1960年，中國(guó)第一臺(tái)大型通用電子計(jì)算機(jī)“107機(jī)”（見(jiàn)圖1-13）研制成功。

1963年，我國(guó)第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)“109機(jī)”研制成功。

1968年12月，晶體管大型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)“109丙機(jī)”研制成功。

1970年，中國(guó)第一批小規(guī)模集成電路通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)“111機(jī)”研制成功。

1976年11月，大型通用集成電路通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)“013機(jī)”研制成功。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，改革開(kāi)放的大潮席卷全國(guó)，外來(lái)技術(shù)的引進(jìn)加快了中國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在這一時(shí)期，不僅確立了計(jì)算機(jī)微型化的新趨勢(shì)，同時(shí)也使個(gè)人PC的理念逐漸被大眾所接受。

1983年12月，“銀河Ⅰ號(hào)”巨型計(jì)算機(jī)研制成功，運(yùn)行速度為每秒1億次。

1983年11月，中規(guī)模集成電路大型向量數(shù)字電子計(jì)算機(jī)“757機(jī)”研制成功。

1987年，聯(lián)想式漢字微型機(jī)系“LX-PC”研制成功，開(kāi)創(chuàng)了聯(lián)想公司的PC大業(yè)。

1991年，我國(guó)第一臺(tái)基于微處理器的并行計(jì)算機(jī)研制成功。

1985年，我國(guó)第一臺(tái)微型電子計(jì)算機(jī)長(zhǎng)城0520C研制成功。

1999年，長(zhǎng)城推出的颶風(fēng)499個(gè)人機(jī)，第一次將微機(jī)的價(jià)格拉到5000元以下。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展大潮。

2.中國(guó)計(jì)算機(jī)之父

董鐵寶是我國(guó)著名力學(xué)家、計(jì)算數(shù)學(xué)家，是中國(guó)計(jì)算機(jī)研制和斷裂力學(xué)研究的先驅(qū)之一，他被譽(yù)為“中國(guó)計(jì)算機(jī)之父”。

董鐵寶于1922年遷居上海；1939年畢業(yè)于國(guó)立交通大學(xué)土木工程系，就職于國(guó)民政府交通部橋梁設(shè)計(jì)處，歷任實(shí)習(xí)生、公務(wù)員、工程師；1945年抗戰(zhàn)勝利后赴美留學(xué)；1946年1月，在普渡大學(xué)土木系攻讀研究生，并擔(dān)任助教；1947年至1950年，在伊利諾伊大學(xué)力學(xué)系攻讀博士學(xué)位；之后留校任助理教授、副教授，曾使用計(jì)算機(jī)ILLIAC-I解決了大量題目；1956年，毅然放棄美國(guó)的優(yōu)越生活，攜全家輾轉(zhuǎn)歐洲返回中國(guó)，在北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系固體力學(xué)教研室任教，同時(shí)在數(shù)學(xué)力學(xué)系計(jì)算數(shù)學(xué)教研室、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、計(jì)算技術(shù)研究所、哈爾濱工程力學(xué)所等單位兼職從事教學(xué)與合作研究；1958年，轉(zhuǎn)入數(shù)學(xué)力學(xué)系計(jì)算數(shù)學(xué)教研室，并獲美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)頒發(fā)的Moisseiff獎(jiǎng)。1958年，北京大學(xué)開(kāi)始制造中國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，得到了董鐵寶的積極支持和具體指導(dǎo)。20世紀(jì)60年代初，董鐵寶開(kāi)始進(jìn)行每秒百萬(wàn)次運(yùn)行速度的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。董鐵寶對(duì)我國(guó)計(jì)算機(jī)事業(yè)的發(fā)展有著重要的貢獻(xiàn)和影響。

1.4.4 計(jì)算機(jī)的局限性

計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，在硬件和軟件方面依然存在諸多不足。對(duì)于以下幾種情況，計(jì)算機(jī)是無(wú)法處理的。

●信息無(wú)法離散為二進(jìn)制。比如對(duì)于人類而言，情感體驗(yàn)從來(lái)都不是一種精確的量化感受，并且受各種不同因素的影響。這些不能量化的信息無(wú)法錄入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)更無(wú)法處理，即使強(qiáng)行離散化，計(jì)算機(jī)處理出來(lái)的數(shù)據(jù)也和現(xiàn)實(shí)相去甚遠(yuǎn)，意義不大。

●輸入/輸出數(shù)據(jù)無(wú)法確定或數(shù)據(jù)范圍無(wú)窮大。輸入/輸出數(shù)據(jù)必須是確定的，且數(shù)據(jù)范圍在計(jì)算機(jī)能顯示的正常范圍內(nèi)，否則計(jì)算機(jī)無(wú)法正常顯示這些信息。

●問(wèn)題無(wú)法轉(zhuǎn)化為無(wú)二義性問(wèn)題或者問(wèn)題無(wú)法在有限步驟內(nèi)完成。問(wèn)題的描述有二義性，會(huì)導(dǎo)致算法的混亂，甚至使計(jì)算機(jī)輸出異常信息。問(wèn)題無(wú)法在有限步驟內(nèi)完成則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)，出現(xiàn)故障。

1.4.5 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)是當(dāng)代最先進(jìn)的計(jì)算工具，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已遍及經(jīng)濟(jì)、政治、軍事及社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，為社會(huì)創(chuàng)造了巨大的效益。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用可歸納為以下幾方面。

1.科學(xué)計(jì)算

計(jì)算機(jī)最早應(yīng)用于計(jì)算。在科學(xué)研究和工程技術(shù)中，利用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算和大容量存儲(chǔ)的能力，可進(jìn)行各種復(fù)雜的、人工難以完成或根本無(wú)法完成的數(shù)值計(jì)算。例如，氣象預(yù)報(bào)中衛(wèi)星云圖資料的分析計(jì)算，有數(shù)百個(gè)變?cè)母唠A線性方程組的求解，高層建筑、地鐵隧道的設(shè)計(jì)和建設(shè)，計(jì)算生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域分子的組成和空間結(jié)構(gòu)等，都需要求解各種復(fù)雜的方程式。

2.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理又稱信息處理，指對(duì)數(shù)字、字符、文字、聲音、圖形和圖像等各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分類、加工、排序、檢索、打印和傳送等。數(shù)據(jù)處理具有數(shù)據(jù)量大、輸入/輸出頻繁、時(shí)間性強(qiáng)等特點(diǎn)，一般不涉及復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用從數(shù)值計(jì)算到非數(shù)值計(jì)算，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)飛躍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算機(jī)的所有應(yīng)用中，數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用約占全部應(yīng)用的3/4以上。數(shù)據(jù)處理是現(xiàn)代管理的基礎(chǔ)，被廣泛地用于情報(bào)檢索、統(tǒng)計(jì)、事務(wù)管理、生產(chǎn)管理自動(dòng)化、決策系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化等方面，由此也促生了很多數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

3.數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基本內(nèi)容之一。數(shù)據(jù)庫(kù)是長(zhǎng)期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織、可共享的數(shù)據(jù)集合。例如，企業(yè)的人事部門常常要把本單位職工的基本情況存放在表中，這張表就可以被看成數(shù)據(jù)庫(kù)。使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、增加、刪除、修改等操作。在當(dāng)今的信息社會(huì)，從國(guó)家經(jīng)濟(jì)信息系統(tǒng)、科技情報(bào)系統(tǒng)、銀行儲(chǔ)蓄系統(tǒng)到辦公自動(dòng)化及生產(chǎn)自動(dòng)化等，均需要數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的支持。

4.過(guò)程控制

過(guò)程控制也稱為實(shí)時(shí)控制，是指計(jì)算機(jī)對(duì)被控制對(duì)象實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)和處理，按最佳狀態(tài)來(lái)控制或調(diào)節(jié)被控對(duì)象的一種方式。在日常生活中，計(jì)算機(jī)可以代替人類完成那些繁重或危險(xiǎn)的工作。對(duì)一些人們無(wú)法親自操作的控制問(wèn)題（如核反應(yīng)堆），使用計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)精確控制。生產(chǎn)過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，不僅可以大大提高生產(chǎn)率，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要的是可提高控制精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和合格率。過(guò)程控制已經(jīng)在石油、化工、冶金、紡織、水電、機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

5.計(jì)算機(jī)輔助工程

計(jì)算機(jī)輔助工程是以計(jì)算機(jī)為工具，配備專用軟件輔助人們完成特定任務(wù)的工作，以提高工作效率和工作質(zhì)量為目標(biāo)。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是指設(shè)計(jì)和制造人員利用計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)助進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件能高效率地繪制、修改、輸出工程圖樣。設(shè)計(jì)中的常規(guī)計(jì)算能幫助設(shè)計(jì)人員尋找較好的方案，使設(shè)計(jì)周期大幅度縮短，同時(shí)設(shè)計(jì)質(zhì)量大幅提高。應(yīng)用該技術(shù)能使各行各業(yè)的設(shè)計(jì)人員從繁重的繪圖設(shè)計(jì)中解脫出來(lái)，使設(shè)計(jì)工作自動(dòng)化。計(jì)算機(jī)輔助制造指用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過(guò)程，在各大制造業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以與計(jì)算機(jī)輔助制造、輔助測(cè)試融為一體，形成計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）的概念，這樣就使得工程項(xiàng)目的全部過(guò)程，包括企業(yè)管理在內(nèi)，都統(tǒng)一置于計(jì)算機(jī)輔助之下而完全自動(dòng)化。目前，在電子、機(jī)械、造船、航空、建筑、化工、電器等方面都有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，這樣可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，提高自動(dòng)化水平。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）技術(shù)利用計(jì)算機(jī)中安裝的專用軟件和接口設(shè)備，用硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)可編程芯片，將軟件進(jìn)行固化，從而擴(kuò)充硬件系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行速度。

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Assisted Instruction，CAI）是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)熱門領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等手段，以生動(dòng)的畫面、形象的演示，給人以耳目一新的感覺(jué)，使講解更直觀、更清晰、更具吸引力。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)還能最大化地提高課容量和課密度，這是傳統(tǒng)教學(xué)所無(wú)法比擬的。而且，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)是一種以計(jì)算機(jī)軟件為載體的教學(xué)，而軟件的易傳播性也是引起教學(xué)方法變革的巨大動(dòng)力。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)作為信息化工程的一部分，體現(xiàn)了它獨(dú)特的魅力。

目前，大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程（Massive Open Online Courses，MOOC）成功實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)交換。讓每個(gè)人都能免費(fèi)獲取來(lái)自名牌大學(xué)或名師的資源，可以在任何地方、用任何設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)課程適用于專家培訓(xùn)、各學(xué)科間的交流學(xué)習(xí)以及特別教育等學(xué)習(xí)模式，任何學(xué)習(xí)類型的信息都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播。

6.人工智能

人工智能方面的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究的前沿。人工智能通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)模擬人的智能行為，代替人的部分腦力勞動(dòng)，完成模式識(shí)別、景物分析、自然語(yǔ)言理解、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等任務(wù)，輔助人類進(jìn)行決策。機(jī)器人作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，也體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在人工智能方面的成果。最新研制的機(jī)器人有的可以做一些簡(jiǎn)單的表情和動(dòng)作，有的具有一定的感知和識(shí)別能力。機(jī)器人不僅可以在車間流水線上完成一些重復(fù)的操作，還可以從事許多更為復(fù)雜的工作，如進(jìn)行手術(shù)、給殘疾人喂飯、探測(cè)月球等。目前，正在加緊研制的第五代計(jì)算機(jī)，就是一個(gè)大型綜合的人工智能系統(tǒng)。

7.電子商務(wù)

電子商務(wù)（electronic commerce）通常是指在互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，買賣雙方利用網(wǎng)絡(luò)資源，不謀面地進(jìn)行各種商貿(mào)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者的網(wǎng)上購(gòu)物、商戶之間的網(wǎng)上交易和在線電子支付，以及各種商務(wù)活動(dòng)、交易活動(dòng)、金融活動(dòng)和相關(guān)的綜合服務(wù)活動(dòng)。電子商務(wù)可通過(guò)多種電子通信方式來(lái)完成，但目前主要是通過(guò)電子數(shù)據(jù)交換（Electronic Data Interchange，EDI）和因特網(wǎng)來(lái)完成。作為一種新型的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，電子商務(wù)具有普遍性、方便性、整體性、安全性、協(xié)調(diào)性等特性。同時(shí)，電子商務(wù)系統(tǒng)也面臨諸如保密性、可測(cè)性和可靠性的挑戰(zhàn)，但這些挑戰(zhàn)將隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步而得以克服。

8.娛樂(lè)

在工作之余，人們可以使用計(jì)算機(jī)欣賞電影和音樂(lè)、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)游戲等。利用計(jì)算機(jī)制作的特效也在影視劇的拍攝中大顯神威。例如，《流浪地球》《三體》《變形金剛》等影視劇的特效帶給人們震撼的視覺(jué)效果。而數(shù)字技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)在特效制作領(lǐng)域的應(yīng)用，將給影視工業(yè)化帶來(lái)更多發(fā)展機(jī)遇。

1.4.6 未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)的未來(lái)充滿了變數(shù)，但性能的大幅度提高是毋庸置疑的，同時(shí)計(jì)算機(jī)將越來(lái)越人性化，兼具通用性與專業(yè)性。

當(dāng)前的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)主要向著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化、智能化的方向發(fā)展。巨型化主要為了滿足尖端科學(xué)技術(shù)的研究需要，提供更高速度、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)功能的超大型計(jì)算機(jī)。微型化體現(xiàn)了當(dāng)前微機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，當(dāng)前全球互聯(lián)網(wǎng)用戶已達(dá)38億，計(jì)算機(jī)功能及應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。多媒體技術(shù)是指采用計(jì)算機(jī)綜合處理數(shù)據(jù)、文字、圖形圖像、聲音等多媒體信息，同時(shí)具有集成性和交互性，多媒體化的實(shí)質(zhì)就是讓人們利用計(jì)算機(jī)以更接近自然的方式交換信息。智能化就是讓計(jì)算機(jī)具有人工智能，它是建立在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上、綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。智能化的目的是研究人的感覺(jué)、行為、思維過(guò)程的機(jī)理，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，使計(jì)算機(jī)具備“視覺(jué)”“聽(tīng)覺(jué)”“語(yǔ)言”“行為”“思維”“邏輯推理”“學(xué)習(xí)”“證明”等能力，形成智能型、超智能型計(jì)算機(jī)。人工智能的研究從本質(zhì)上拓寬了計(jì)算機(jī)的能力，在某些方面可以越來(lái)越多地代替甚至超越人類的腦力勞動(dòng)。

迄今為止，計(jì)算機(jī)都是按照馮·諾依曼的體系結(jié)構(gòu)（即存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)）進(jìn)行設(shè)計(jì)的。計(jì)算機(jī)工業(yè)發(fā)展的速度令人瞠目，然而硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展也意味著硅技術(shù)越來(lái)越接近其物理極限。為此，世界各國(guó)的研究人員提出了新型計(jì)算機(jī)的構(gòu)想，并加緊開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)。從目前的研究狀況來(lái)看，未來(lái)的計(jì)算機(jī)有可能在光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛越。

1.光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是指利用光子代替半導(dǎo)體芯片中的電子，以光互連代替導(dǎo)線而制成的數(shù)字計(jì)算機(jī)，使用不同波長(zhǎng)的光表示不同的數(shù)據(jù)。光的并行、高速的本質(zhì)決定了光子計(jì)算機(jī)的并行處理能力很強(qiáng)，具有超高的運(yùn)算速度。光子計(jì)算機(jī)還具有與人腦相似的容錯(cuò)性。1990年年初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度比電子計(jì)算機(jī)快1000倍。當(dāng)前，許多國(guó)家都投入巨資進(jìn)行光子計(jì)算機(jī)的研究。隨著現(xiàn)代光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來(lái)，光子計(jì)算機(jī)可能會(huì)成為人類普遍采用的計(jì)算工具。

2.生物計(jì)算機(jī)

生物計(jì)算機(jī)又稱分子計(jì)算機(jī)，使用生物芯片作為主要原材料來(lái)制造芯片。生物芯片由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成。生物芯片具有巨大的存儲(chǔ)能力，如1m3的脫氧核糖核酸（DNA）溶液，可存儲(chǔ)1萬(wàn)億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而且能以波的形式傳送信息。生物計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度比當(dāng)今最快的巨型機(jī)的速度還要快百萬(wàn)倍以上，而能量的消耗僅為普通計(jì)算機(jī)的十億分之一。另外，由于蛋白質(zhì)分子具有自我組合的能力，從而使生物計(jì)算機(jī)具有自我調(diào)節(jié)能力、自我修復(fù)能力和再生能力，更易于模擬人類大腦的功能。1983年，美國(guó)公布了研制生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國(guó)家的研制熱潮。目前，在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實(shí)際成果，這將會(huì)促使計(jì)算機(jī)、電子工程和生物工程這3個(gè)學(xué)科的專家通力合作，加快研究開(kāi)發(fā)生物芯片。生物計(jì)算機(jī)一旦研制成功，將會(huì)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。

3.量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出來(lái)的。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子的疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、搜索功能更強(qiáng)和安全性能更高等優(yōu)點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新，這是量子計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)（如光子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)等）的不同之處。量子計(jì)算機(jī)的研究已經(jīng)取得很大的進(jìn)展。

2013年6月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的量子光學(xué)和量子信息團(tuán)隊(duì)的陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)研究小組，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)用量子計(jì)算機(jī)求解線性方程組的實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)利用高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源構(gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)，并且演示了其超越經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)與晶體管計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，向真正的“量子霸權(quán)”時(shí)代邁出了重要的一步。

2020年12月4日，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)——九章。九章開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)稱，求解5000萬(wàn)個(gè)樣本的高斯玻色取樣時(shí)，九章需200秒，而當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)富岳需6億年；求解100億個(gè)樣本時(shí)，九章需10小時(shí)，而富岳需1200億年。九章的出現(xiàn)，推動(dòng)全球量子計(jì)算前沿研究達(dá)到一個(gè)新高度，其超強(qiáng)算力在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)、加密解密等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

2023年7月，潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)，成功實(shí)現(xiàn)了51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，刷新了所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄，充分展示了超導(dǎo)量子計(jì)算體系優(yōu)異的可擴(kuò)展性。研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)量的變分量子算法的演示。

4.納米計(jì)算機(jī)

“納米”是一個(gè)計(jì)量單位，1nm等于10-9m，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只不過(guò)如數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。2013年9月26日斯坦福大學(xué)宣布，人類首臺(tái)基于碳納米晶體管技術(shù)的計(jì)算機(jī)已成功測(cè)試運(yùn)行。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功證明了人類有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)，擺脫當(dāng)前硅晶體技術(shù)，以生產(chǎn)新型計(jì)算機(jī)設(shè)備。

5.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理單元模擬人腦的神經(jīng)元，從而模擬人腦的邏輯思維、記憶、推理、設(shè)計(jì)和分析等智能行為。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)具有判斷能力和適應(yīng)能力，可并行處理多種數(shù)據(jù)，可判斷對(duì)象的性質(zhì)與狀態(tài)，并能采取相應(yīng)的行動(dòng)，而且可同時(shí)并行處理實(shí)時(shí)變化的大量數(shù)據(jù)，并引出結(jié)論。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)除有許多處理器外，還有類似神經(jīng)的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與許多點(diǎn)相連。若把每一步運(yùn)算分配給每臺(tái)微處理器，它們同時(shí)運(yùn)算，其信息處理速度會(huì)大大提高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的信息不是存在存儲(chǔ)器中，而是存儲(chǔ)在神經(jīng)元之間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)中。若有節(jié)點(diǎn)斷裂，計(jì)算機(jī)仍有重建資料的能力，它還具有聯(lián)想記憶、視覺(jué)和聲音識(shí)別能力。

科學(xué)家對(duì)新型計(jì)算機(jī)的研制還有很多構(gòu)想，無(wú)論哪一種實(shí)現(xiàn)方法，都還要經(jīng)歷漫長(zhǎng)且艱苦的研究過(guò)程。不過(guò)，我們相信，科學(xué)在發(fā)展，人類在進(jìn)步，隨著一代又一代科學(xué)家的不斷努力，新型計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，必將推進(jìn)全社會(huì)的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破。