誰也離不開的計算機及其技術的發展應用與方向前景

現在，有四樣東西人們大都離不開，離開了就沒法工作或心理難受。

一是電，二是智慧型手機，三是電腦，四是網絡。

其中智慧型手機=手機+掌上電腦；電腦就是計算機；網絡的硬體基礎是計算機。

所以講，計算機技術是資訊時代信息技術的三大支柱性技術（傳感技術、通信技術、計算機技術）中的核心技術。

計算機的重要性不言而喻，大家每天都有體會。

21世紀，不會用電腦的人已經可以視為「新文盲」了。

目前，我們普遍使用的計算機為第四代計算機。

此代計算機（1970年以來）所使用的基礎元件為大規模集成電路。

其核心部件微型化，運算速度很快。

內置軟體如20世紀90年代以來微軟公司推出的Windows95、XP、97、98等作業系統，風靡全球，成為微機上方便而廣闊的信息窗口。

工作需要推動了電子計算機的產生

中國在唐朝末年民間出現的「算盤」，是世界公認的計算機史上的一大發明。

算盤滿足了民間、官方商業活動的計算需要，故一直沒再變化革新，因而計算機沒能在我國出現。

1642年，法國的巴斯卡，他是個孝子。

為了減輕父親的繁重計算，從小立志要製造一台計算機，後來果然製成了。

當然，這台機器實際上是一台8位加法器。

1882—1835年，英國數學家巴貝奇發現人們耗費不少心血編制的航海表中有許多人為的錯誤，這種錯誤影響航海中定位的準確性。

為了把人們從簡單卻繁瑣、易錯的計算中解脫出來，先後製造了「差分機模型」、「分析機」，開闢了計算機自動化的方向。

1888年，美國工程師霍勒里斯由於人口普查的需要，發明了卡片程序控制計算機。

世界上第一台自動化電子計算機誕生於二戰期間。

軍事需要是促成製造的重要原因。

二戰後期，盟軍與軸心國進入決戰階段，有許多新式武器為了提高命中率需要進行大量的計算，而且要求在儘可能快的時間內得出結果。

首台電子計算機的主要設計和製造者莫希利當時在賓夕法尼亞大學莫爾學院電工系工作。

該系同美國陸軍設在附近的阿伯丁彈道研究實驗室共同承擔了每天向海、陸軍提供六張火力表的任務。

每張表要計算機幾百條彈道，而一個熟練的計算員借用當時的台式機械式計算機算一條飛行時間為60秒的彈道需要花20小時，用大型微分分析儀也需要15分鐘。

實驗室聘用了200名計算員，一張火力表需要算二三個月，而且結果還不能令人滿意。

為了提高計算速度和精度，莫希利提出了設計製造電子計算機的方案。

1943年6月被批准、試製，1945年底竣工（電子數值積分計算機，簡稱ENIAC）。

耗資48萬美元，占地170平方米，重30噸，每秒運算次數為5000次，比當時最好的繼電器式計算機快1000倍。

但它有兩個缺陷：一是存儲容量太小；二是程序是「外插型」的，使用時很不方便。

（替繼電器式計算機感到悲催的是，其與電子式計算機研製基本同步，研製者有德國工程師朱斯、美國艾肯等，時間為1941—1946年。

但因為電子式研製出來了，所以其剛問世不久便被電子計算機所取代。

當然，我們也不否認其為早期電子計算機的研製提供了一定經驗的貢獻。

）也有資料講，英國人早在ENIAC出世前，就研製出了一台名為Colos-sus的電子計算機，專門用於第二次世界大戰時的密碼破譯，因為用途特殊，只能秘而不宣。

數學家是計算機設計發明的總設計師

美籍匈牙利人、著名數學家馮.諾伊曼得知ENIAC的研製消息後很激動，1945年初，他在總結ENIAC的優缺點基礎上，提出了完整的存貯程序通用電子計算機EDVAC（離散變時自動電子計算機）的邏輯設計方案。

此方案包括了現代電子計算機的邏輯結構的一系列主要特徵，其中最重要的思想是關於程序內存的思想。

即程序設計者可以事先按一定要求編好程序，把它和數據一起存貯在存貯器內，從而使全部運算自動化。

另一重要的思想是把二進位系統地運用到計算機上。

這個方案是目前一切電子計算機的基礎。

英國劍橋大學根據其設計思想於1949年製成了第一台程序內存計算機。

「程序內存」的思想不是諾伊曼首先提出來的，而是英國數學家圖靈在1936年發表的《關於理想計算機》一文中提出來的。

圖靈提出了理想計算機的數學理論與模型。

只不過他寫文章的目的不是為了研製具體計算機，而是為了解決純數學問題。

對於圖靈的思想貢獻，諾伊曼不僅承認而且不止一次說過，圖靈是現代計算機基本設計思想的創始人。

鑒於兩位數學家的貢獻，現代電子計算機一般稱為「馮.諾伊曼機」；有時人們也將其稱為「圖靈機」。

電子計算機的發展歷程：電子管電晶體至集成電路

自第一台電子計算機問世以來，發展非常迅速，大約每8—10年速度與可靠性提高10倍，成本降低10倍。

根據它所使用的電子器件，其演變大致劃分為五代。

第一代電子計算機——電子管時代（1946—1956年）；第二代——電晶體時代（1956—1962年）；第三代——集成電路時代（1962—1970年）；第四代——大規模集成電路時代（1970— ）；第五代——智能計算機。

1904年，英國發明家弗萊明打算製造一種高性能的電磁波檢波器，以提高無線電通訊效果，結果研製成了真空二極體。

他在真空管中放置兩塊金屬板，一個是正極一個是負極。

當加熱負極時，就有電子流入正極。

當正極加上無線電信號時，通過的電流就隨之發生波動，這樣二極體就能夠起到檢波作用。

1906年，美國物理學家德福雷斯行發明了三極體。

後來又有四極管、五極管、微波管相繼問世。

電子管一問世，有些目光敏銳的發明家和科學家就意識到它可以被用於製造計算機，因為它的開閉速度比繼電器快10000倍，性能也可靠得多。

而且它能被方便的控制，易於實現複雜的運算。

至20世紀50年代，全世界擁有的以電子管為元件的計算機約5000台左右。

20世紀初，有些無線電愛好者發現有些半導體礦石有單嚮導電性，因此很適合做檢波器。

這使科學家們想到，用半導體可以製作與電子管同樣性能的電晶體。

1947年12月，美國貝爾實驗室發明了以鍺為材料的第一隻電晶體。

1950年，肖克萊等人又發明了晶體三極體，放大能力更強。

鍺比較稀少，因此價格很貴。

後來發現更合適的半導體材料矽之後，實用性電晶體才大規模的普及開來。

因為地球上到處都是矽。

電晶體具有體積小、重量輕、耗能低、壽命長、製造工藝簡單、使用時不需預熱等優點，它的問世大大加速了電子技術的發展。

用它加工製作的電晶體及以電晶體為元件的計算機要改變這個世界。

由於採用電晶體邏輯元件和快速磁芯存貯器，機器的運算速度從每秒幾千次提高到幾十萬次，存貯器容量從幾千字提高到10萬字。

1964年，已經能製造每秒二三百萬次的電晶體計算機。

並且由於造價低，開始在工、商、農業廣為使用。

1961年前後，美國人基爾比和諾依斯發明了集成電路。

集成電路是將電子元器件（電晶體）與電子線路組合起來，構成一個整體，做在同一塊矽晶片上。

集成電路也稱「晶片」。

它在一塊矽晶片上埋管鋪線，其鋪線方式是利用半導體再摻雜一些特殊的雜質來使其導電，其埋管的方式是高溫熔化。

集成電路的製作有如頭髮絲上刻字。

1962年，IBM公司生產了IBM360集成電路系列機，之後電子計算機便進入了應用集成電路的第三代，並很快進入使用大規模集成電路及超大規模集成電路的第四代。

70年代中期，出現了在一塊矽片上包含有十萬個電晶體的超大規模集成電路。

因著這一變革，仙童公司的創始人之一摩爾預言：每過18個月，集成電路的價格降低一半而性能增加一倍。

這就是著名的摩爾定律。

這一預言被歷史事實所一再證明。

（參考吳國盛《科學的歷程（第二版）》、王士舫、董自勵編著《科學技術發展簡史（第二版）》）

電子計算機的應用

電子計算機的主要功能與應用有：科學計算、數據處理、自動控制、輔助設計、人工智慧、機器翻譯、多媒體應用、計算機網絡等。

電子計算機在上世紀八九十年代已經得到廣泛應用。

因著電子計算機在飛彈、飛機、艦船等武器系統中的應用，現代武器的準確率大大提高。

信息處理是現代化管理的基礎。

電子計算機在經濟、商業、社會管理等方面的應用大大提高了管理效率和水平。

在印刷出版和電傳打字方面的應用加快了文化信息傳遞的節奏和頻率；在教育方面的應用改變著教育的面貌。

90年代，網絡的普及更是為計算機插上了翅膀。

至1999年底，全世界上網的電子計算機達到1億台左右。

今天，個人計算機及其兼容產品（印表機等）已變成普通的辦公用具，並藉助網際網路和多媒體技術實現了辦公室革命。

電子計算機下棋系統、模式識別系統、自然語言理解和翻譯系統、機器人控制系統、解決各種特殊問題的專家系統等均已出現，並顯示了很大的發展前途。

計算機的研製，最初便是為了應對科學計算的需要。

數值計算在現代科學研究中的地位不斷提高，尤其在尖端科學領域中尤為重要。

例如，人造衛星、火箭、宇宙飛船的設計發射等都離不開計算機的精確計算。

自動控制是指通過計算機對某一過程進行自動操作，它不需人工干預，能按人預定的目標和預定的狀態進行過程控制。

目前被廣泛用於操作複雜的鋼鐵企業、石油化工業、醫藥工業等生產中。

使用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準確性，提高勞動效率、產品質量，降低成本，縮短生產周期。

計算機自動控制還在國防和航空航天領域中起決定性作用，例如，無人駕駛飛機、飛彈、人造衛星和宇宙飛船等飛行器的控制，都是靠計算機實現的。

計算機輔助設計簡稱CAD，藉助計算機的幫助，人們可以自動或半自動地完成飛機設計、船舶設計、建築設計、機械設計、大規模集成電路設計等各類工程設計工作。

人工智慧(Artificial Intelligence，簡稱AI)是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術和應用。

目前在醫療診斷、定理證明、語言翻譯、機器人等方面已有了顯著成效。

早在1976年，美國的科學家便用計算機證明了數學家們100多年來未能證明的四色定理。

機器翻譯消除了不同文字和語言間的隔閡，堪稱高科技造福人類之舉。

隨著電子技術特別是通信和計算機技術的發展，人們已經有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構成一種全新的概念——「多媒體」（Multimedia），並在各個領域發展很快並廣泛使用。

（參考360百科詞條「計算機」）

計算機在網絡方面的應用使人類之間的交流跨越了時間和空間障礙，成為人類建立信息社會的物質基礎，給我們的工作帶來極大的方便和快捷。

網絡為人們提供無窮無盡的創造精神和物質財富的信息，並變革人們的交往、生活方式，與之相關產生了「注意力經濟」「網上交易」「遠程教育」「遠程醫療」「全球圖書館」等一系列新概念和新活動。

當前，在應用方面，值得一提的還有巨型機（或稱「超級計算機」）。

超級計算機可以模擬若干最複雜的自然現象，用它進行天氣預報，可預報未來10—100年之內的世界氣候。

此外，還可以用於進行實驗或模擬核爆炸；企業可用它進行產品設計或測試等。

中國在這一領域處於世界領先位置。

「天河二號」以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算成為目前全球最快的超級計算機。

在「天河二號」上已成功進行了3萬億粒子數中微子和暗物質的宇宙學數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化進程。

藉助其「計算神功」，國產C919大型客機開展了高精度外流場氣動計算；中科院上海藥物研究所開展了75萬個小分子化合物的結合親和力評估，完成了600多個各類藥物的體內外活性測試評價等。

（百科詞條）

此外，人類正在加緊研製第五代（或「新一代」）計算機，進一步推進計算機的智能化，使其速度快得想不到，聰明程度想不到。

五、新一代計算機的研製方向：智能機、光子機、量子機等

第五代計算機是把信息採集、存儲、處理、通信同人工智慧結合在一起的智能計算機系統。

它主要能面向知識處理，具有形式化推理、聯想、學習和解釋的能力，能夠幫助人們進行判斷、決策、開拓未知領域和獲得新的知識。

人機之間可以直接通過自然語言（聲音、文字）或圖形圖象交換信息。

第五代計算機又稱新一代計算機。

（引自360百科詞條「第五代電腦」）即這種計算機突破了傳統的諾伊曼式機器的概念，它的智能化人機接口使人們不必編寫程序，只需發出命令或提出要求，電腦就會完成推理和判斷，並且給出解釋。

這是一種完全擺脫傳統體系結構和技術的束縛，以嶄新的理論和技術來開發的新型電子計算機；是一種進一步接近人腦功能的「能聽」、「會說」的知識信息處理機。

目前還處於研製階段。

馮•諾伊曼機的一般特徵是存儲程序，機器按照線性順序依次執行程序指令。

人們一直在試圖超越馮•諾伊曼模型，建立一個非線性化的、非存儲程序的、存儲器與處理器合二為一的新機型。

這正是第五代計算機的目標。

在電腦元件方面，人們正致力於開發與人腦神經網絡相類似的超級大規模集成電路，即所謂的「分子晶片」。

同時，光子計算機、生物計算機、量子計算機也正在研製改進之中。

光子計算機（亦稱「光腦」）是以光子取代電子，以光互聯取代導線互聯，以光硬體取代電子硬體，以光運算取代電子運算。

電子的傳播速度是593km/s，而光子的傳播速度卻達300000km/s。

光的並行、高速，天然地決定了光子計算機的並行處理能力很強，具有超高運算速度。

並行處理即可以多路同時計算，結果互不干擾，無信息塞車等現象。

而電路是串行的，自然難以做到。

光子計算機運算速度理論上可達每秒1000億次；信息存儲達1018位。

光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統中某一元件損壞或出錯時，並不影響最終的計算結果。

光子在光介質中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉換時能量消耗和散發熱量極低，對環境條件的要求比電子計算機低得多。

1984年，國際商用機器公司製造出世界上第一台光子計算機。

目前，光子計算機取得系列新的進展，例如來自美國杜克大學的計算機電子工程師團隊研發出了能夠實現超快速開關的LED燈管，每秒鐘能夠開關900億次的性能使得它能夠取代之前的LED技術，構成光子計算機的硬體基礎。

（例子據頭條號「科普中國」）

科學家根據DNA編碼信息的特點，研製「生物晶片」與「生物計算機」（亦稱「DNA計算機」）。

生物計算機的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作為生物晶片。

生物晶片比矽晶片上的電子元件要小很多，而且生物晶片本身具有天然獨特的立體化結構，其密度要比平面型的矽集成電路高五個數量級。

讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進行化學反應就能使生物計算機同時運行幾十億次。

2006年，美國用DNA計算機快速準確診斷禽流感病毒。

2011年9月，美國用生物計算機摧毀癌細胞。

未來的DNA計算機在研究邏輯、破譯密碼、基因編程、疑難病症防治以及航空航天等領域有獨特優勢，現在電子計算機是望塵莫及。

比如，DNA計算機可以充當監控裝置，在人體內、細胞內發現潛在的致病變化，還可以在人體內合成所需的藥物，治療癌症、心臟病、動脈硬化等各種疑難病症，甚至在恢復盲人視覺方面，也將大顯身手。

完全可以想像，一旦DNA計算技術全面成熟，那麼真正的「人機合一」就會實現。

因為大腦本身就是一台自然的DNA計算機，只要有一個接口，DNA計算機通過接口可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴充部分，而且它以從人體細胞吸收營養的方式來補充能量，不用外界的能量供應。

像科幻小說中向大腦植入以DNA為基礎的人造智能晶片，未來就像接種疫苗一樣簡單。

無疑，DNA計算機的出現將給人類文明帶來一個質的飛躍，給整個世界帶來巨大的變化，有著無限美好的應用前景。

（參考360百科詞條「DNA計算機」）

量子計算機，是基於量子理論的計算機，遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態，而不像傳統計算機那樣只能處於0或1的二進位狀態。

量子比特相比傳統計算機比特強大，是由於兩個獨特的量子現象：疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。

量子疊加使量子比特能夠同時具有0和1的數值，可進行「同步計算」。

量子糾纏使分處兩地的兩個量子比特能共享量子態，創造出超疊加效應。

故每增加一個量子比特，運算性能就翻一倍。

比方說，使用5個糾纏量子的算法，能同時進行25或者32個運算，而傳統計算機必須一個接一個地運算。

理論上，300個糾纏量子能進行的並行運算數量，比宇宙中的原子還要多。

這種超大規模的並行計算，對於處理日常任務沒什麼用，但對於需要同時探索無數條路徑的算法，還有對海量資料庫的搜索，量子計算能極大地提高速度。

它還能被用來尋找新的化學催化劑，對加密數據的海量數字作因子分解，或許還能模擬黑洞和其他物理現象。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。

世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。

在這一領域，中國科學家的研究已經處在國際前列。

「量子晶片」是未來量子計算機的「大腦」。

據新華社報導，中國科學技術大學郭國平教授研究組近期在量子晶片開發領域取得重要進展，他們首次在砷化鎵半導體量子晶片中實現了量子相干特性好、操控速度快、可控性強的電控新型編碼量子比特。

2016年8月，該校中科院院士、潘建偉教授等成功操控約600對糾纏態量子比特，向基於超冷原子的可擴展量子計算和量子模擬邁出重要一步。

（參考材料：http://ah.anhuinews.com/system/2016/08/19/007440395.shtml）

除了以上幾種外，未來的高性能計算機還包括納米計算機、超導計算機、化學計算機、仿生計算機等。

計算機讓人們生活更美好。

我們誰也離不開它。

它的發展會不斷讓我們感到驚詫與驚艷。

這是一個量子的時代，是一個自旋的、跳躍的、大能量的時代。

計算機將在這個時代始終扮演樞紐的重要角色，這個「外腦」越來越接近「人腦」，並在許多方面已經超過了「人腦」。

以計算機等為代表的高科技的力與美讓我們沉醉。