1.1.1　计算机的发明与发展

现在所说的计算机，准确地说应该称为数字电子计算机（以与模拟计算机相区别），它是以二进制运算为基础的数字运算装置。计算机的发明是人类对计算工具不断追求的结果。从远古人类的结绳记事，算筹、算盘的发明，到1822年英国人查理斯·贝巴奇完成第一台差分机，再到1946年人类第一台电子计算机ENIAC的问世，一直到今天的微型计算机的普及，计算机的发展经历了漫长的过程。

1.莱布尼茨与乘法机

德国数学家莱布尼茨认为，中国的八卦是最早的二进制计数法。在八卦图的启迪下，莱布尼茨系统地提出了二进制运算法则。这是现代电子计算机的基础。

1673年，莱布尼茨发明乘法机，这是第一台可以运行完整的四则运算的计算机。莱布尼兹同时还提出了“可以用机械代替人进行烦琐重复的计算工作”的伟大思想，这一思想至今鼓舞着人们探求新的计算机。图1-1所示是莱布尼茨与他发明的乘法机。

2.贝巴奇与差分机

查理斯·巴贝奇是英国著名的数学家，他的第一个贡献是制作了一台“差分机”。所谓“差分”，是把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。1812年，20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感，差分机设计闪烁出了程序控制的灵光——它能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年，于1822年完成了第一台差分机，它可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数，当时就能演算出好几种函数表。图1-2所示是巴贝奇与他发明的差分机。

3.图灵与图灵机

阿兰·麦席森·图灵（1912—1954）是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自于这位伟大的科学家。他对计算机的重要贡献在于他提出的有限状态自动机，也就是图灵机的概念。对于人工智能，它提出了重要的衡量标准“图灵测试”，如果有机器能够通过图灵测试，那它就是一个完全意义上的智能机。图录杰出的贡献使他成为计算机界的第一人——“人工智能之父”。人们为了纪念这位伟大的科学家，1966年美国计算机协会将计算机界的最高奖定名为“图灵奖”。

图灵机被公认为现代计算机的原型，这台机器可以读入一系列的“0”和“1”，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。这种观念在当时是具有革命性意义的，因为即使在20世纪50年代，大部分的计算机还只能解决某一特定问题，不是通用的，而图灵机从理论上却是通用机。“图灵机”不是一种具体的机器，而是一种思想模型，可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象得到的可计算函数。图1-3所示是图灵与图灵机。

4.第一台电子计算机

在第二次世界大战中，敌对双方都使用了飞机和火炮，猛烈轰炸对方军事目标。要想打得准，必须精确计算并绘制出“射击图表”。经查图表确定炮口的角度，才能使射出去的炮弹正中飞行目标。但是，每一个数都要做几千次的四则运算才能得出来，十几个人用手摇机械计算机算几个月，才能完成一份图表。

针对这种情况，人们开始研究把电子管作为“电子开关”提高计算机的运算速度。20世纪40年代中期，美国宾夕法尼亚大学电工系由莫利奇和艾克特领导，为美国陆军军械部阿伯丁弹道研究实验室研制了一台用于炮弹弹道轨迹计算的“电子数值积分和计算机”（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC）。这台称为“埃尼阿克”的计算机占地面积150m2，总质量达30t，使用了18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线，功率为140kW，每秒可进行5000次加法运算。这个庞然大物于1946年2月15日在美国举行了揭幕典礼。这台计算机的问世，标志着计算机时代的开始。图1-4所示是第一台电子计算机ENIAC的图片。

5.冯·诺依曼与“冯·诺依曼机”

美籍匈牙利裔学者约翰·冯·诺依曼（John von.Neumann，1903—1957）被誉为“电子计算机之父”（见图1-5）。他在数学、物理学、经济学方面都有丰硕的成果，不过他对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。

1944年，冯·诺依曼由ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加了ENIAC机研制小组，成为莫尔学院电子计算机攻关小组的实际顾问。由于ENIAC存在致命的缺陷——程序与计算相分离，指挥近2万电子管“开关”工作的程序指令被存放在机器的外部电路中，需要计算某个题目前，埃克特必须派人把数百条线路用手接通，像电话接线员那样工作几小时甚至好几天，才能进行几分钟运算。在ENIAC尚未投入运行前，冯·诺依曼就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。在短短10个月里，冯·诺依曼迅速把概念变成了方案。新机器方案命名为“离散变量自动电子计算机”（EDVAC）。1945年6月，冯·诺依曼与戈尔德斯廷等人，联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代计算机体系结构坚实的根基，直到今天，仍然被认为是现代计算机科学发展里程碑式的文献。

EDVAC方案明确了新机器由5个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，并描述了这5部分的职能和相互关系。设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。EDVAC方案的革命意义在于“存储程序”，即指令和数据可一起放在存储器中，并做同样的处理。这简化了计算机的结构，大大提高了计算机的效率。1946年7～8月间，冯·诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在EDVAC方案的基础上，为普林斯顿大学高级研究所研制IAS计算机时，又提出了一个更加完善的设计报告“电子计算机逻辑设计初探”。以上两份既有理论又有具体设计的文件，首次在全世界掀起了一股“计算机热”，他们的综合设计思想，便是著名的“冯·诺依曼机”，其中心就是存储程序原则——指令和数据一起存储。这个概念被誉为“计算机发展史上的一个里程碑”。它标志着电子计算机时代的真正开始，指导着以后的计算机设计。直至今日，冯·诺依曼的计算机原理与结构，仍然广泛用于各种类型的计算机中。随着科学技术的进步，今天人们又认识到“冯·诺依曼机”的不足，它阻碍了计算机速度的进一步提高，从而提出了“非冯·诺依曼机”的设想。

6.晶体管的发明与第二代电子计算机

1947年，美国AT&T公司贝尔实验室的两位科学家制成了世界上第一只晶体管，随后于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC。由于晶体管比电子管体积小得多，并且具有导通截止速度快、可靠性高、稳定性强等优点，所以第二代计算机立即替代了第一代计算机而迅速发展起来。相比采用定点运算的第一代计算机，第二代计算机普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。第二代计算机除了大量用于科学计算，还逐渐被工商企业用来进行商务处理，高级语言FORTRAN和COBOL因此也得到了广泛应用。

7.集成电路（IC）的发明与第三代电子计算机

1952年，美国雷达研究所的科学家达默（G.W.A.Dummer）提出了“将电子设备制作在一个没有引线的固体半导体板块中”的集成技术设想，从而给微电子的发展带来了一次质的飞跃。1958年，美国物理学家基尔比和诺伊斯同时发明集成电路。同年，美国得州仪器（TI）公司制成了第一批集成电路，由于集成电路的使用，使电子计算机进入第三代。

第三代电子计算机的主要特点是逻辑元件采用集成电路，运算速度可以达到每秒几十万次到几百万次，体积更小、成本更低。同时，计算机开始向标准化、多样化、通用化和系列化发展。软件逐渐完善，操作系统开始使用。

8.超大规模集成电路与第四代电子计算机

1971年，美国Intel公司的马西安·霍夫（M.E.Hoff）大胆构想，将计算机的线路加以改进，把中央处理器的全部功能集成到一块芯片上，这就是世界上第一台微处理器，也是第四代——超大规模集成电路电子计算机的雏形。由于超大规模集成电路这一高度集成技术的出现，将计算机的核心部件可以集成在一块芯片上，这使计算机微型化成为可能。由于半导体技术的不断进步，使集成电路集成的晶体管的数量以及工作的时钟频率都在不断的刷新，使微型机的性能都超过了第三代大型机的性能，大型机以及巨型机的性能更是突飞猛进。同时，软件行业迅速发展，编译系统、操作系统、数据库管理系统以及应用软件的研究更加深入，软件业已成为一个重要产业。

9.计算机的发展趋势

现在的计算机功能已相当强大，为人类做出了巨大的贡献。随着计算机应用的普及，人们对计算机的依赖性也越来越大，对计算机的功能要求越来越高，因此研制功能更加强大的新型计算机已成为必然。计算机未来的发展趋势将主要概括为以下几个方面：

（1）巨型化

巨型化是指发展高速、大存储容量和功能更强大的巨型机，以满足尖端科学研究的需要。并行处理技术是当今研制巨型计算机的基础。研制巨型机能体现出一个国家计算机科学水平的高低，也能反映出一个国家的经济实力和科学技术水平。

（2）微型化

发展小、巧、轻、价格低、功能强的微型计算机，以满足更广泛的应用领域。近年来，微机技术发展十分迅速，新产品不断问世，IC芯片集成度和性能不断提高，价格也越来越低。各种掌上型电脑性能越来越高，价格也越来越低。

（3）网络化

计算机网络是计算机技术和通信技术结合的产物，是计算机技术中最重要的一个分支，是信息系统的基础设施。信息网络，能使任何人在任何时间、任何地点，将文字、声音、图像和电视信息传递给在任何地点的任何人。它将学校、科研机构、企业、图书馆和实验室等部门的各种资源连接在一起，被全体公民所共享。

（4）智能化

智能化是指用计算机来模拟人的感觉和思维过程，使计算机具备人的某些智能。例如听、说、识别文字、图形和物体，并具备一定的学习和推理能力等。智能化是建立在现代科学基础之上的、综合性很强的边缘科学。大量科学家为此正在进行艰难的探索。

一些发达国家正在开展对新型计算机的研究。第五代计算机（人工智能机）和第六代计算机（神经网络机）的研制工作继续深入，不断出现新成果。日本已研制出光学神经型计算机，这种计算机能够通过连续自动程序模拟人脑学习和存储视觉形象，具有人脑的视觉神经反应能力和记忆能力。

（5）多媒体化

多媒体化是指计算机能更有效地处理文字、图形、动画、音频和视频等多种形式的信息，使人们更自然、有效地使用信息。

10.未来计算机

未来计算机的研究目标是打破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推理和判断能力。尽管传统的、基于集成电路的计算机短时间内不会退出历史舞台，但旨在超越它的光子计算机、生物计算机、超导计算机、纳米计算机和量子计算机正在跃跃欲试。

（1）光子计算机

光子（Photon）计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。与电子计算机相比，光子计算机具有以下优点：超高速的运算速度、强大的并行处理能力、大存储量、非常强的抗干扰能力等。据推测，未来光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1000倍以上。

（2）生物计算机

生物（DNA）计算机使用生物芯片。生物芯片是用生物工程技术产生的蛋白质分子制成，存储能力巨大，运算速度比当前的巨型计算机还要快10万倍，能量消耗则为其的十亿分之一。由于蛋白质分子具有自组织、自调节、自修复和再生能力，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。

（3）超导计算机

超导（Superconductor）计算机是由特殊性能的超导开关器件、超导存储器等元器件和电路制成的计算机。1911年，荷兰物理学家昂内斯首先发现了超导现象——某些铝系、铌系、陶瓷合金等材料，当它们冷却到接近-273.15℃时，会失去电阻值而成为导体。目前制成的超导开关器件的开关速度比集成电路要快几百倍，电能消耗仅是大规模集成电路的千分之一。

（4）纳米计算机

纳米（Nanometer）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。纳米技术是从20世纪80年代初发展起来的新的科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。“纳米”本是一个计量单位，1nm=10-9m，大约是氢原子直径的10倍。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比目前的计算机强大，运算速度将是使用硅芯片计算机的1.5万倍。

（5）量子计算机

量子（Quantum）计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。目前，量子计算机只能利用大约5个原子做最简单的计算。要想做任何有意义的工作都必须使用数百万个原子，但其高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景。

未来的计算机技术将向超高速、超小型、智能化的方向发展。超高速计算机将采用并行处理技术，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理，这是改进计算机结构、提高计算机运行速度的关键技术。同时计算机还将具备更多的智能成分，将具有多种感知能力、一定的思考与判断能力及一定的自然语言能力。除了提供自然的输入手段（如按键输入、手写输入、语音输入）外，让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现，虚拟现实技术就是这一领域发展的集中表现。