計(jì)算機(jī)組成原理唐朔飛PPT 第2章 計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

1、2.3 計(jì)算機(jī)的展望計(jì)算機(jī)的展望2.2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用2.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史計(jì)算機(jī)的發(fā)展史不是一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而是一個(gè)不是一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而是一個(gè)科學(xué)與工程結(jié)合的系統(tǒng)科學(xué)與工程結(jié)合的系統(tǒng)工程工程，是無數(shù)人共同努力的成果。，是無數(shù)人共同努力的成果。從計(jì)算器到計(jì)算機(jī)從計(jì)算器到計(jì)算機(jī)（一字之差，天壤之別）（一字之差，天壤之別） 世界上第一位程序員，是英國著名詩人拜倫的女兒世界上第一位程序員，是英國著名詩人拜倫的女兒愛愛達(dá)達(dá) 拉夫拉斯伯爵夫人拉夫拉斯伯爵夫人。阿蘭阿蘭. .圖靈圖靈理論證明計(jì)算機(jī)可行的第一人，圖靈獎。理論證明計(jì)算機(jī)可行的第一人，圖靈獎。馮馮. .諾依曼諾依曼使世界認(rèn)識了計(jì)算機(jī)的基

2、本概念，將計(jì)算機(jī)使世界認(rèn)識了計(jì)算機(jī)的基本概念，將計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)邏輯化、系統(tǒng)化，奠定了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。的結(jié)構(gòu)邏輯化、系統(tǒng)化，奠定了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。正真開始研究計(jì)算機(jī)和去實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)。當(dāng)從英國人正真開始研究計(jì)算機(jī)和去實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)。當(dāng)從英國人查查爾斯?fàn)査? .巴貝奇巴貝奇開始開始一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1946年年 美國美國 ENIAC1955年退役年退役十進(jìn)制運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算18 0001 500150301 500多個(gè)電子管多個(gè)電子管多個(gè)繼電器多個(gè)繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺電

3、子計(jì)算機(jī)世界上第一臺電子計(jì)算機(jī) ENIAC(1946)ENIAC(1946)硬件技術(shù)對計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響硬件技術(shù)對計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響 100 000 000 超大規(guī)模超大規(guī)模 集成電路集成電路 1978現(xiàn)在現(xiàn)在 10 000 000 大規(guī)模大規(guī)模 集成電路集成電路 19721977 1 000 000 中小規(guī)模中小規(guī)模 集成電路集成電路 19651971 200 000 晶體管晶體管 19581964 40 000 電子管電子管 19461957 速度（次速度（次/秒）秒） 硬件技術(shù)硬件技術(shù) 時(shí)間時(shí)間 代代三三四四二二一一第一臺第一臺von Neumann 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)

4、IBM System360 最快的五臺超級計(jì)算機(jī)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2003.06）1. .IBM: Seaborg6 080個(gè)個(gè) CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF (1012)2. .IBM: ASCI White8 192個(gè)個(gè) CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF (1012)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2003.06）3. .Linux NetworX : MCR Linux Cluster 最快的五臺超級計(jì)算機(jī)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2003.06）2 304個(gè)個(gè) CPU 最大平均速度最大平均

5、速度 7.634 TF (1012)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2003.06）4. HP : ASCI Q4 096個(gè)個(gè) CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF (1012)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)最快的五臺超級計(jì)算機(jī)（截止到（截止到 2003.06）5. .NEC: Earth Simulator5 120個(gè)個(gè) CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF (1012)二、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展二、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展微處理器芯片微處理器芯片存儲器芯片存儲器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位

6、位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位Moore 定律定律Intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番 摩爾定律：摩爾定律： 當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約約每隔每隔18個(gè)月便會增加一倍個(gè)月便會增加一倍，性能也將提升一倍性能也將提升一倍。換。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個(gè)月個(gè)月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度

7、。翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。摩爾定律在發(fā)現(xiàn)后的摩爾定律在發(fā)現(xiàn)后的40多年里產(chǎn)生了巨大影響，但隨多年里產(chǎn)生了巨大影響，但隨著著3D芯片等技術(shù)的耗盡，美物理學(xué)家加來道雄稱該定芯片等技術(shù)的耗盡，美物理學(xué)家加來道雄稱該定律將在律將在10年內(nèi)崩潰年內(nèi)崩潰,單靠標(biāo)準(zhǔn)的硅材料技術(shù)，計(jì)算能力單靠標(biāo)準(zhǔn)的硅材料技術(shù)，計(jì)算能力無法維持快速的指數(shù)倍增長。無法維持快速的指數(shù)倍增長。Intel 公司的典型微處理器產(chǎn)品公司的典型微處理器產(chǎn)品8080 8位位 1974年年8086 /8088 16位位 1978年年/1979年年 2.9 萬萬80286 16位位 1982年年 13.4 萬萬80386 3

8、2位位 1985年年 27.5 萬萬80486 32位位 1989年年 120.0 萬萬Pentium 64位（準(zhǔn)）位（準(zhǔn)） 1993年年 310.0 萬萬Pentium pro 64位（準(zhǔn)）位（準(zhǔn)） 1995年年 550.0 萬萬Pentium 64位（準(zhǔn)）位（準(zhǔn)） 1997年年 550.0 萬以上萬以上Pentium 64位（準(zhǔn)）位（準(zhǔn)） 1999年年 800.0 萬以上萬以上Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 萬萬預(yù)計(jì)預(yù)計(jì) 2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 億億 5 千萬千萬 晶體管晶體管 2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 億億 晶體管晶體管

9、微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展很大程度上取決于微處理器的微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展很大程度上取決于微處理器的發(fā)展，而微處理器的發(fā)展又依賴于芯片集成度和處理發(fā)展，而微處理器的發(fā)展又依賴于芯片集成度和處理器主頻的提高。器主頻的提高。 集成度的提高功耗持續(xù)上升，功耗和散熱成為當(dāng)集成度的提高功耗持續(xù)上升，功耗和散熱成為當(dāng)務(wù)之急。務(wù)之急。 為了提高計(jì)算機(jī)的性能，除了提高處理器的性能為了提高計(jì)算機(jī)的性能，除了提高處理器的性能外，還通過開發(fā)指令集并行來實(shí)現(xiàn)。外，還通過開發(fā)指令集并行來實(shí)現(xiàn)。 微處理器的發(fā)展重點(diǎn)：微處理器的發(fā)展重點(diǎn)：1、進(jìn)一步提高復(fù)雜度來提高處理器性能2、通過線程/進(jìn)程級并行性的開發(fā)提高處理器性能，3、將存儲器集成到

10、處理器芯片內(nèi)來提高處理器性能4、發(fā)展嵌入式處理器 擴(kuò)展：擴(kuò)展： 從1964 年被公認(rèn)為第一臺CDC 6600的誕生，一直到在最新一期TOP500排行榜占據(jù)首位、理論峰值達(dá)54.9Petaflop/s 的天河2 號，40 年來，超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已經(jīng)有了10 個(gè)數(shù)量級的提升。其中，1985 年Cray 公司發(fā)布了8 個(gè)處理器的1.9Gigaflop/s 的Cray-2，是世界上首臺Giga級別的超級計(jì)算機(jī)；1996 年年底Intel 公司成功研制出1.453Terafolp/s 的ASCI-RED，標(biāo)志著超級計(jì)算機(jī)Tera 時(shí)代的到來；2008 年IBM 研制成功“走鵑（RoadRunner）

11、”，宣告人類正式進(jìn)入了千萬億次計(jì)算（PetaScale）時(shí)代。從時(shí)間統(tǒng)計(jì)來看，由Giga 到Tera、由Tera到Peta 分別用了11 年和12 年不等的時(shí)間。 擴(kuò)展（續(xù)）擴(kuò)展（續(xù)） 一般來說CDC 6600被認(rèn)為是第一個(gè)成功的超級計(jì)算機(jī)，每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)達(dá)1M，超過之前最快的IBM 7030約三倍。它從1964年到1969年一直保持世界最快的計(jì)算機(jī)，直到讓渡其繼任者CDC 7600。 1946年2月14日，世界上第一臺電腦ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。以真空管取代繼電器的“電子化”電腦-ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calcula

12、tor）， 電子數(shù)字積分器與計(jì)算器）， 目的是用來計(jì)算炮彈彈道。 機(jī)器使用了18800個(gè)真空管，長50英尺，寬30英尺， 占地1500平方英尺，重達(dá)30噸（大約是一間半的教室大，六只大象重）。它的計(jì)算速度快，每秒可從事5000次的加法運(yùn)算，運(yùn)作了九年之久。由於吃電很兇， 據(jù)傳ENIAC每次一開機(jī)，整個(gè)費(fèi)城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。(耗電量140千瓦) 擴(kuò)展（續(xù)）擴(kuò)展（續(xù)） 另外，真空管的損耗率相當(dāng)高，幾乎每15分鐘就可能燒掉一支真空管，操作人員須花15分鐘以上的時(shí)間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。曾有人調(diào)侃道：只要那部機(jī)器可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)五天，而沒有一只真空管燒掉，發(fā)明人就要額手稱慶了。 由國

13、防科大研制的天河二號超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，成為全球最快超級計(jì)算機(jī)。10年11月，天河一號曾以每秒4.7千萬億次的峰值速度，首次將五星紅旗插上超級計(jì)算領(lǐng)域的世界之巔。此次是繼天河一號之后，中國超級計(jì)算機(jī)再次奪冠。 擴(kuò)展（續(xù)）擴(kuò)展（續(xù)） 2013年11月18日，國際TOP500組織公布了最新全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜榜單，國防科大研制的“天河二號”以比第二名美國的“泰坦”快近一倍的速度再度登上榜首。美國專家預(yù)測，在一年時(shí)間內(nèi)，“天河二號”還會是全球最快的超級計(jì)算機(jī)。 在2014年11月17日公布的全球超級

14、計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單中，中國“天河二號”以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續(xù)第四次獲得冠軍。 為奪回領(lǐng)先地位，美國先后宣布將建造3臺超級計(jì)算機(jī)，其計(jì)算速度遠(yuǎn)超“天河二號”。這些超級計(jì)算機(jī)計(jì)劃于2017年至2018年陸續(xù)建造完成，在那之前，沒有超級計(jì)算機(jī)可以挑戰(zhàn)“天河二號” 。 三、軟件技術(shù)的興起和發(fā)展三、軟件技術(shù)的興起和發(fā)展機(jī)器語言機(jī)器語言 面向機(jī)器面向機(jī)器匯編語言匯編語言 面向機(jī)器面向機(jī)器高級語言高級語言 面向問題面向問題FORTRAN 科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算PASCAL 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)C 面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο驤ava 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 1. 各種語言各種語

15、言2. 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件語言處理程序語言處理程序 匯編程序匯編程序 編譯程序編譯程序 解釋程序解釋程序操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) DOS UNIX Windows 服務(wù)性程序服務(wù)性程序 裝配裝配 調(diào)試調(diào)試 診斷診斷 排錯(cuò)排錯(cuò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件3. 軟件發(fā)展的特點(diǎn)軟件發(fā)展的特點(diǎn) 開發(fā)周期長開發(fā)周期長 制作成本高制作成本高 檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性軟件是程序以及開發(fā)、使用和軟件是程序以及開發(fā)、使用和維護(hù)程序維護(hù)程序所所需要的所有文檔需要的所有文檔一、科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理一、科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理二、工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制二

16、、工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1. 電子商務(wù)電子商務(wù)2. 網(wǎng)絡(luò)教育網(wǎng)絡(luò)教育3. 敏捷制造敏捷制造四、虛擬現(xiàn)實(shí)四、虛擬現(xiàn)實(shí)五、辦公自動化和管理信息系統(tǒng)五、辦公自動化和管理信息系統(tǒng)六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒體技術(shù)七、多媒體技術(shù)八、人工智能八、人工智能一、計(jì)算機(jī)具有類似人腦的一些超級一、計(jì)算機(jī)具有類似人腦的一些超級 智能功能智能功能要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá)要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá)1015/秒秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理極限的制約芯片集成度受物理極限的制約 按幾何級數(shù)遞增的制作成本按幾何級數(shù)遞增的制作成本 芯片的功耗、散熱、線延遲芯片的功