計(jì)算機(jī)的過(guò)去和未來(lái)

第1頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)知識(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史未來(lái)的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)改變生活第2頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四古典計(jì)算機(jī)器時(shí)代計(jì)算設(shè)備還不是科學(xué)，而是工具。出現(xiàn)一些具備計(jì)算和存儲(chǔ)信息能力的設(shè)備。輔助計(jì)算的基本手段出現(xiàn)，主要針對(duì)的是數(shù)字。主要特點(diǎn)：計(jì)算設(shè)備作為人腦計(jì)算的輔助工具，不具備自動(dòng)計(jì)算能力。第3頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四早期的計(jì)算機(jī)器帕斯卡的加法機(jī)萊布尼茲的乘法機(jī)

巴貝奇差分機(jī)巴貝奇分析機(jī)古老的計(jì)算工具—算盤(pán)第4頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四早期的計(jì)算機(jī)器哈佛大學(xué)研制的機(jī)電式自動(dòng)順序控制計(jì)算機(jī)MARKI第5頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代計(jì)算機(jī)-第一代計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)邏輯元件——電子管主存——磁鼓輔存——磁帶軟件——機(jī)器語(yǔ)言、符號(hào)語(yǔ)言應(yīng)用——科學(xué)計(jì)算主要成就數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，揭開(kāi)了人類歷史新篇章。1946年6月，馮·諾依曼提出了“存儲(chǔ)程序”的概念以及計(jì)算機(jī)組成和框架，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。第6頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖靈、圖靈機(jī)及圖靈測(cè)試圖靈是計(jì)算機(jī)邏輯的奠基者，許多人工智能的重要方法也源自這位偉大的科學(xué)家：24歲，提出圖靈機(jī)理論；31歲，參與Colossus（二戰(zhàn)時(shí)英國(guó)破解德國(guó)通信密碼的計(jì)算機(jī)）的研制；33歲，構(gòu)思了仿真系統(tǒng)；35歲，提出自動(dòng)程序設(shè)計(jì)概念；38歲，設(shè)計(jì)了“圖靈測(cè)試”；在后來(lái)還創(chuàng)造了一門(mén)新學(xué)科——非線性力學(xué)；……計(jì)算機(jī)與人工智能之父，英國(guó)數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家——阿蘭·圖靈（AlanTuring，1912-1954）第7頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四阿塔納索夫及ABC計(jì)算機(jī)被“遺忘”的電子計(jì)算機(jī)之父

——約翰·阿塔納索夫（JohnAtanasoff，1903-1995）存放在衣阿華州立大學(xué)的ABC計(jì)算機(jī)(Atanasoff-BerryComputer)第8頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四馮·諾伊曼及馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)1945年6月30日，馮·諾依曼發(fā)表“101頁(yè)報(bào)告”——FirstDraftofaReportontheEDVAC；1946年7、8月間，馮·諾依曼又提出了一個(gè)更加完善的設(shè)計(jì)報(bào)告“電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)初探”（Preliminarydiscussionofthethelogicaldesignofanelectroniccomputinginstrument）?，F(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父——馮·諾伊曼這兩篇報(bào)告的綜合設(shè)計(jì)思想，便是著名的“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（vonNeumannArchitecture）”。報(bào)告明確指出：采用二進(jìn)制，不但數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制，指令也采用二進(jìn)制；計(jì)算機(jī)由5部分構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出裝置；程序由指令組成并和數(shù)據(jù)一起存放在存儲(chǔ)器中，機(jī)器按程序指定的邏輯順序，把指令從存儲(chǔ)器中讀出來(lái)并逐條執(zhí)行，從而自動(dòng)完成程序描述的處理工作。(即，“存儲(chǔ)程序”思想)第9頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子管計(jì)算機(jī)1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，注意ENIAC并不是基于“存儲(chǔ)程序”工作的計(jì)算機(jī)?。┰诿绹?guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。5000次加法/秒體重30噸占地170m218800只電子管1500個(gè)繼電器功率150KW第10頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二代電子計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)邏輯元件——晶體管主存——磁芯輔存——磁盤(pán)軟件——高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)應(yīng)用——除科學(xué)計(jì)算外，已應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制主要成就首次將晶體管用于計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)縮小了體積，減低了功耗，提高了速度和可靠性。發(fā)明了高級(jí)語(yǔ)言。首次提出了計(jì)算機(jī)的兼容問(wèn)題，包括硬件兼容和軟件兼容。第11頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四晶體管計(jì)算機(jī)晶體管與電子管的比較：體積比電子管小很多耗電大大降低穩(wěn)定性有很大提高1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室使用800只晶體管組裝了世界上第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC。(TransistorDigitalComputer)第12頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四集成電路計(jì)算機(jī)集成電路與晶體管的比較：1964年4月7日，在IBM公司成立50周年之際，由年僅40歲的吉恩·阿姆達(dá)爾(Gene

Amdahl)擔(dān)任主設(shè)計(jì)師，歷時(shí)四年研發(fā)的IBM360計(jì)算機(jī)問(wèn)世，標(biāo)志著第三代計(jì)算機(jī)的全面登場(chǎng)，這也是IBM歷史上最為成功的機(jī)型之一。第13頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四代電子計(jì)算機(jī)主要特點(diǎn)邏輯元件——大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路（LSI/VLSI）主存——LSI/VLSI半導(dǎo)體芯片輔存——磁盤(pán)、光盤(pán)軟件——高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)應(yīng)用——科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制，并進(jìn)入以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征的應(yīng)用時(shí)代第14頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四各種第四代計(jì)算機(jī)第15頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展1958年研制出第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)1964年研制出第二代晶體管計(jì)算機(jī)1971年研制出第三代集成電路計(jì)算機(jī)1977年研制出第一臺(tái)微機(jī)DJS0501983年研制成功銀河億次機(jī)（第四代計(jì)算機(jī)）2002年9月聯(lián)想集團(tuán)研制成功“深騰1800”計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度超過(guò)1萬(wàn)億次/秒2003年12月，我國(guó)自主研發(fā)出國(guó)內(nèi)最快、世界第三的10萬(wàn)億次曙光4000A高性能計(jì)算機(jī)

2010年，中國(guó)國(guó)防科大研制的“天河一號(hào)”在高性能計(jì)算機(jī)排行榜上位列第一，曙光公司部署在深圳計(jì)算中心的“星云”排行第三；第16頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四我國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題自主創(chuàng)新能力不足；核心技術(shù)缺失（CPU制造技術(shù)，高科技材料技術(shù)，操作系統(tǒng)技術(shù)，高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)）；大規(guī)模軟件幾乎空白；發(fā)展體制存在缺陷；相關(guān)法律法規(guī)不夠健全，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)存在漏洞；第17頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四未來(lái)的計(jì)算機(jī)巨型化：天文、軍事、仿真、科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域需要進(jìn)行大量的計(jì)算，要求計(jì)算機(jī)有更高的運(yùn)算速度、更大的存儲(chǔ)量，這就需要研制功能更強(qiáng)的巨型計(jì)算機(jī)；專業(yè)化：工業(yè)計(jì)算機(jī)、嵌入式設(shè)備在工業(yè)上和專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，車載電腦、工控計(jì)算機(jī)、銀行系統(tǒng)等；微型化：專用微型機(jī)已經(jīng)大量應(yīng)用于儀器、儀表和家用電器中。筆記本電腦已經(jīng)大量進(jìn)入辦公室和家庭，但是便攜性、續(xù)航能力仍不夠人們?nèi)旌蚴褂?，?yīng)運(yùn)而生的便攜式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（MID）、智能手機(jī)、平板電腦不斷涌現(xiàn)，迅速普及；網(wǎng)絡(luò)化：移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)潛力最大、前景最誘人的兩大業(yè)務(wù)，它們的增長(zhǎng)速度都是任何預(yù)測(cè)家未曾預(yù)料到的，所以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)可以預(yù)見(jiàn)將會(huì)創(chuàng)造怎樣的經(jīng)濟(jì)神話；智能化：目前的計(jì)算機(jī)已能夠部分地代替人的腦力勞動(dòng)，但是人們希望計(jì)算機(jī)具有更多人的智能，比如：自行思考，智能識(shí)別，自動(dòng)升級(jí)等等；第18頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四智能手機(jī)的代表操作系統(tǒng)：AndroidOSv2.2CPU型號(hào)：NVIDIATegra2CPU頻率：1024MHz可用空間16GB內(nèi)存：1GBROM+1GBRAM主屏尺寸：4.0英寸第19頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四下一代計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)成為我們工作上的工具，生活中的控制中心是必然的事情。計(jì)算機(jī)的未來(lái)充滿了變數(shù)。性能的大幅度提高是不可置疑的，而實(shí)現(xiàn)性能的飛躍卻有多種途徑。不過(guò)性能的大幅提升并不是計(jì)算機(jī)發(fā)展的唯一路線，計(jì)算機(jī)的發(fā)展，還應(yīng)當(dāng)變得越來(lái)越人性化，同時(shí)也要注重環(huán)保等等。

基于集成電路的計(jì)算機(jī)短期內(nèi)還不會(huì)退出歷史舞臺(tái)。但一些新的計(jì)算機(jī)正在躍躍欲試地加緊研究，這些計(jì)算機(jī)是：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)等。

第20頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四摩爾定律微芯片上集成的晶體管數(shù)目每18個(gè)月翻一番，價(jià)格降低一半第21頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第五代電子計(jì)算機(jī)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本、美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家都宣布開(kāi)始新一代計(jì)算機(jī)的研究。人們普遍認(rèn)為新一代計(jì)算機(jī)應(yīng)該是智能型的，它能模擬人的智能行為，理解人類自然語(yǔ)言，并繼續(xù)向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。綜合起來(lái)大概有以下幾個(gè)研究方向。人工智能計(jì)算機(jī)巨型計(jì)算機(jī)多處理機(jī)激光計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)生物晶體計(jì)算機(jī)（DNA計(jì)算機(jī)）量子計(jì)算第22頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超導(dǎo)計(jì)算機(jī)芯片的集成度越高，計(jì)算機(jī)的體積越小，這樣才不致因信號(hào)傳輸而降低整機(jī)速度。但這樣一來(lái)就使機(jī)器發(fā)熱嚴(yán)重。解決問(wèn)題的出路是研制超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。電流在超導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，電阻為零，介質(zhì)不發(fā)熱。1962年，英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫遜提出了“超導(dǎo)隧道效應(yīng)”，即由超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體組成的器件（約瑟夫遜結(jié)），當(dāng)對(duì)其兩端加電壓時(shí)，電子就會(huì)像通過(guò)隧道一樣無(wú)阻擋地從絕緣介質(zhì)穿過(guò)，形成微小電流，而該器件兩端的壓降幾乎為零。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)相比，使用約瑟夫遜器件的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的耗電量?jī)H為其幾千分之一，而執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間卻要快100倍。1999年11月，日本超導(dǎo)技術(shù)研究所與企業(yè)合作，制作了由1萬(wàn)個(gè)約瑟夫遜元件組成的超導(dǎo)集成電路芯片。據(jù)悉，該所定于2003年生產(chǎn)這種超導(dǎo)芯片，2010年前后制造出這種超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。第23頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四納米計(jì)算機(jī)在納米尺度下，由于有量子效應(yīng)，硅微電子芯片便不能工作。其原因是這種芯片的工作，依據(jù)的是固體材料的整體特性，即大量電子參與工作時(shí)所呈現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)平均規(guī)律。如果在納米尺度下，利用有限電子運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)的量子效應(yīng)，可能就能克服上述困難?？梢杂貌煌脑韺?shí)現(xiàn)納米級(jí)計(jì)算，目前已提出了四種工作機(jī)制：（1）電子式納米計(jì)算技術(shù)；（2）基于生物化學(xué)物質(zhì)與DNA的納米計(jì)算機(jī)；（3）機(jī)械式納米計(jì)算機(jī)；（4）量子波相干計(jì)算。它們有可能發(fā)展成為未來(lái)納米計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)。第24頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)硅芯片計(jì)算機(jī)不同，光計(jì)算機(jī)用光束代替電子進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)：它以不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳送到另一個(gè)芯片。研制光計(jì)算機(jī)的設(shè)想早在20世紀(jì)50年代后期就已提出。1986年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維.米勒研制成功小型光開(kāi)關(guān)，為同實(shí)驗(yàn)室的艾倫.黃研制光處理器提供了必要的元件。1990年1月，黃的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始用光計(jì)算機(jī)工作。光計(jì)算機(jī)有全光學(xué)型和光電混合型。上述貝爾實(shí)驗(yàn)室的光計(jì)算機(jī)就采用了混合型結(jié)構(gòu)。相比之下，全光學(xué)型計(jì)算機(jī)可以達(dá)到更高的運(yùn)算速度。研制光計(jì)算機(jī)，需要開(kāi)發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”。現(xiàn)有的光學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，若用它們?cè)斐膳_(tái)式計(jì)算機(jī)將有輛汽車那么大。因此，要想短期內(nèi)使光學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)用化還很困難。第25頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四DNA計(jì)算機(jī)1994年11月，美國(guó)南加州大學(xué)的阿德勒曼博士用DNA堿基對(duì)序列作為信息編碼的載體，在試管內(nèi)控制酶的作用下，使DNA堿基對(duì)序列發(fā)生反應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。阿德勒曼在《科學(xué)》上公布了DNA計(jì)算機(jī)的理論，引起了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。阿德勒曼的計(jì)算機(jī)的計(jì)算與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)不同，計(jì)算不再只是簡(jiǎn)單的物理性質(zhì)的加減操作，而又增添了化學(xué)性質(zhì)的切割、復(fù)制、粘貼、插入和刪除等種種方式。DNA計(jì)算機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)在于其驚人的存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度：1立方厘米的DNA存儲(chǔ)的信息比一萬(wàn)億張光盤(pán)存儲(chǔ)的還多；十幾個(gè)小時(shí)的DNA計(jì)算，就相當(dāng)于所有電腦問(wèn)世以來(lái)的總運(yùn)算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有電子計(jì)算機(jī)的一百億分之一。與傳統(tǒng)的“看得見(jiàn)、摸得著”計(jì)算機(jī)不同，目前的DNA計(jì)算機(jī)還是躺在試管里的液體。它離開(kāi)發(fā)、實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，尚有許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)性問(wèn)題需要去解決。第26頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，利用原子的量子特性進(jìn)行信息處理。由于原子具有在同一時(shí)間處于兩個(gè)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(shí)代表0和1以及0和1之間的中間值，故無(wú)論從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的兩倍。對(duì)此，有人曾經(jīng)作過(guò)這樣的比喻：假設(shè)一只老鼠準(zhǔn)備繞過(guò)一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，它要么從左邊過(guò)，要么從右邊過(guò)，而根據(jù)量子理論，它卻可以同時(shí)從貓的左邊和右邊繞過(guò)量子計(jì)算機(jī)在外形上有較大差異，它沒(méi)有盒式外殼；看起來(lái)像是一個(gè)被其它物質(zhì)包圍的巨大磁場(chǎng)；它不能利用硬盤(pán)實(shí)現(xiàn)信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)；但高效的運(yùn)算能力使量子計(jì)算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。如何實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，方案并不少，問(wèn)題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。這些計(jì)算機(jī)機(jī)異常敏感，哪怕是最小的干擾--比如一束從旁邊經(jīng)過(guò)的宇宙射線--也會(huì)改變機(jī)器內(nèi)計(jì)算原子的方向，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。目前，量子計(jì)算機(jī)只能利用大約5個(gè)原子做最簡(jiǎn)單的計(jì)算。要想做任何有意義的工作都必須使用數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子第27頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人工智能人工智能是人造的智能,是計(jì)算機(jī)科學(xué)、邏輯學(xué)、認(rèn)知科學(xué)交叉形成的一門(mén)科學(xué)。其基本目標(biāo)就是使機(jī)器表現(xiàn)出類似人類的智慧,使機(jī)器具有類似人類的智能行為,使機(jī)器思維(MakingMachine“Think”)。智能接口技術(shù)是研究如何使人們能夠方便自然地與計(jì)算機(jī)交流。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要求計(jì)算機(jī)能夠看懂文字、聽(tīng)懂語(yǔ)言、說(shuō)話表達(dá)，甚至能夠進(jìn)行不同語(yǔ)言之間的