中國(guó)計(jì)算機(jī)硬件現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

信息與計(jì)算科學(xué)系課程設(shè)計(jì)報(bào)告PAGE5摘要隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在我們的日常生活中扮演了越來(lái)越重要的作用，通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)以及當(dāng)今在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域還在研究中的尖端科技分析,計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、平行處理和智能化，量子、光子、分子和納米計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)及一定的自然語(yǔ)言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)入人工智能時(shí)代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動(dòng)新一輪計(jì)算技術(shù)革命，并帶動(dòng)光互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。【關(guān)鏈詞】計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展趨勢(shì)新型計(jì)算機(jī)前言計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展主要體現(xiàn)在處理器和存儲(chǔ)器上，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展。通過(guò)回顧計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，探討計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展趨勢(shì)，從而使人們相信計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展前景會(huì)更加燦爛。計(jì)算機(jī)硬件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子，機(jī)械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱。這些物理裝置按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體為計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。簡(jiǎn)言之，計(jì)算機(jī)硬件的功能是輸入并存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行程序把數(shù)據(jù)加工成可以利用的形式。計(jì)算機(jī)硬件基本構(gòu)件：雖然計(jì)算機(jī)的制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了極大的變化，但在基本的硬件結(jié)構(gòu)方面，一直沿襲著馮。諾伊曼的傳統(tǒng)框架，即計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本構(gòu)件組成。1運(yùn)算器。運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，包括算（加、減、乘、除等）和邏輯運(yùn)算（與、或、非、異或、比較等）。2控制器?？刂破髫?fù)責(zé)從存儲(chǔ)器中取出指令，并對(duì)指令進(jìn)行譯碼；根據(jù)指令的要求，按時(shí)間的先后順序，負(fù)責(zé)向其它各部件發(fā)出控制信號(hào)，保證各部件協(xié)調(diào)一致地工作，一步一步地完成各種操作?？刂破髦饕芍噶罴拇嫫?、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、操作控制器等組成。3存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。4輸入設(shè)備。輸入設(shè)備是給計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。它是重要的人機(jī)接口，負(fù)責(zé)將輸入的信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼，送入存儲(chǔ)器保存。計(jì)算機(jī)中常用的輸入設(shè)備是鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。5輸出設(shè)備。輸入輸出接口是外部設(shè)備與中央處理器之間的緩沖裝置，負(fù)責(zé)電氣性能的匹配和信息格式的轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)常用的輸出設(shè)備為顯示器和打印機(jī)。計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展以用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)硬件的元器件的發(fā)展為主要特征，而元器件的發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，每當(dāng)電子技術(shù)有突破性的進(jìn)展，就會(huì)促進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件的一次重大變革。因此，計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展史中的“代”通常以其所使用的主要器部分無(wú)論從重要性還是從成本看，其主導(dǎo)地位一直保持到70年代中期。后來(lái)，作為計(jì)算機(jī)的“手足”，“感官”和“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”的外圍設(shè)備重重要性日益增長(zhǎng)，新型高性能品種不斷涌現(xiàn)，加上數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的成熟要求越來(lái)越大的輔助存儲(chǔ)器，從而使得外圍設(shè)備在硬件成本中的比重越來(lái)越大。特別是由于輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的發(fā)展，人同計(jì)算機(jī)的界面越來(lái)越友好。起初人們只能用枯燥的數(shù)字，文字同計(jì)算機(jī)打交道；80年代圖形用戶接口（GUI）技術(shù)的成熟將人們帶進(jìn)了“圖文并茂”的多媒體時(shí)代。人們不再感到計(jì)算機(jī)只是一部冰冷的機(jī)器了。需要指出的是，外圍設(shè)備中已越來(lái)越多地嵌入微處理器和軟件進(jìn)行控制以達(dá)到智能化和高性能的目標(biāo)，另一方面也常常將原屬外圍設(shè)備或外圍設(shè)備控制器的部分功能直接設(shè)計(jì)進(jìn)CPU，以降低成本和改善性能。下面，就讓我們來(lái)看看中國(guó)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)的計(jì)算機(jī)技術(shù)將向超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發(fā)展。盡管受到物理極限的約束，采用硅芯片的計(jì)算機(jī)的核心部件CPU的性能還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。作為Moore定律驅(qū)動(dòng)下成功企業(yè)的典范Inter預(yù)計(jì)2001年推出1億個(gè)晶體管的微處理器，并預(yù)計(jì)在2010年推出集成10億個(gè)晶體管的微處理器，其性能為10萬(wàn)MIPS（1000億條指令／秒）。而每秒100萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)將出現(xiàn)在本世紀(jì)初出現(xiàn)。超高速計(jì)算機(jī)將采用平行處理技術(shù)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這是改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的要害技術(shù)。同時(shí)計(jì)算機(jī)將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判定能力及一定的自然語(yǔ)言能力。除了提供自然的輸入手段（如語(yǔ)音輸入、手寫(xiě)輸入）外，讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的各種交互設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)、光盤(pán)存儲(chǔ)容量繼續(xù)攀升，新的海量存儲(chǔ)技術(shù)趨于成熟，新型的存儲(chǔ)器每立方厘米存儲(chǔ)容量可達(dá)10TB（以一本書(shū)30萬(wàn)字計(jì)，它可存儲(chǔ)約1500萬(wàn)本書(shū)）。信息的永久存儲(chǔ)也將成為現(xiàn)實(shí)，千年存儲(chǔ)器正在研制中，這樣的存儲(chǔ)器可以抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕。如是，今日的大量文獻(xiàn)可以原汁原味保存、并流芳百世。硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展同時(shí)也意味著硅技術(shù)越來(lái)越近其物理極限，為此，世界各國(guó)的研究人員正在加緊研究開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)從體系結(jié)構(gòu)的變革到器件與技術(shù)革命都要產(chǎn)生一次量的乃至質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等將會(huì)在21世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。趨勢(shì)1：更小巧歷史的趨勢(shì)告訴我們，硬件的發(fā)展，就是在不斷地追求更為小巧。體積上的優(yōu)勢(shì)使你可以方便地將它們帶到任何地方，再以后，它們甚至可以縮小到內(nèi)置在你的衣服中或者皮膚里。實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想的關(guān)鍵在于生產(chǎn)速度更快、體積更小、價(jià)格更低廉的電腦芯片。納米技術(shù)的運(yùn)用可以使這些電器產(chǎn)品和數(shù)碼產(chǎn)品更加智能化，功能更多；另一方面，掌上電腦的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算性能將大大改善，真正成為方便隨身攜帶的“口袋電腦”。趨勢(shì)2：更個(gè)性未來(lái)的電腦在交互式軟件和芯片方面都會(huì)有很大的改進(jìn)。將來(lái)的電腦可以和我們進(jìn)行語(yǔ)音交流——這一點(diǎn)也不奇怪，目前的所謂語(yǔ)音識(shí)別軟件還只能識(shí)別我們的聲音，以后的這類軟件甚至無(wú)需我們發(fā)聲，它就可以讀懂我們的“唇語(yǔ)”！將來(lái)的語(yǔ)音界面會(huì)訓(xùn)練電腦知道，當(dāng)用戶把臉轉(zhuǎn)向它時(shí)，它就懂得主人要下命令了，而當(dāng)人離開(kāi)時(shí)，這種待命狀態(tài)就自行結(jié)束。專業(yè)人士相信這種訓(xùn)練有素的“電子大腦”將在隨后的5至10年中得到發(fā)展。此外，更有個(gè)性的計(jì)算機(jī)將基于更可靠的個(gè)人認(rèn)證系統(tǒng)(例如手紋、聲控或虹膜)，這樣便能最大程度地保障用戶的隱私不受侵犯。趨勢(shì)3：更聰明隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力的不斷進(jìn)步，個(gè)人電腦將會(huì)變得越來(lái)越聰明。通過(guò)持續(xù)提升的硬件性能和更加卓有成效的控制軟件，能夠主動(dòng)學(xué)習(xí)的PC將終有誕生之日。制造出有人一樣智慧的“智能人”還存在著許多的技術(shù)障礙，但研究出“聰明的PC”卻大有希望。國(guó)際象棋特級(jí)大師卡斯帕羅夫1997年在“人機(jī)大戰(zhàn)”中輸給電腦“深藍(lán)”的情景還讓人記憶猶新。未來(lái)的聰明PC也更能為主人帶來(lái)便利。它將能夠根據(jù)主人的每次行動(dòng)逐漸理解他的需求，把握他的心意，進(jìn)而變被動(dòng)地找尋信息為主動(dòng)地截獲信息。趨勢(shì)4：更廉價(jià)去年11月，聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)安南和美國(guó)主要IT專家尼戈洛龐帝在突尼斯發(fā)布了100美元筆記本電腦原型，這種翠綠色電腦是為貧窮國(guó)家的千百萬(wàn)兒童而設(shè)計(jì)的。這種“發(fā)條式筆記本”電耗很低。100美元電腦的設(shè)計(jì)方案是：500MHz處理器、1GB內(nèi)存和創(chuàng)新的雙模式顯示——既有全色彩顯示模式，也有陽(yáng)光下可讀的黑白顯示模式。尼氏說(shuō)，顯示器使電腦看上去像本電子書(shū)，又像是電腦。該筆記本的電源可用外接電源、電池，或用連接在電腦上的發(fā)條曲軸自行發(fā)電，因?yàn)樵S多國(guó)家的邊遠(yuǎn)地區(qū)沒(méi)有電。趨勢(shì)5：更“無(wú)線”(無(wú)限)即在任何地點(diǎn)與任何機(jī)器交流。目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，辦公桌面上的個(gè)人電腦的各種功能正被分發(fā)、轉(zhuǎn)移并融化到人們隨身攜帶的PDA、手表、駕乘的汽車之中。聯(lián)網(wǎng)的電腦可以控制電燈、電視、立體聲音響、安全系統(tǒng)、空調(diào)、暖氣，甚至草坪噴淋裝置。所有的控制信號(hào)通常都可以自動(dòng)發(fā)出。個(gè)人電腦的網(wǎng)絡(luò)化還意味著家庭網(wǎng)絡(luò)與鄰近網(wǎng)絡(luò)(短程網(wǎng)絡(luò))、辦公網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)距離通訊網(wǎng)絡(luò)之間毫無(wú)縫隙的彼此融合。我們的PC將不只是一臺(tái)個(gè)人電腦，它的功能早已延伸到了更加深邃的領(lǐng)域，成為全新的個(gè)人通訊電腦，一臺(tái)集控制、計(jì)算、存儲(chǔ)、溝通和娛樂(lè)全功能為一體的超級(jí)工具箱。只要開(kāi)啟這個(gè)魔盒，每個(gè)人都可在浴室中、辦公室里、游泳池邊??在任何地點(diǎn)與任何同類或機(jī)器實(shí)現(xiàn)交流。”趨勢(shì)6：更普遍目前，很多電腦廠商都認(rèn)為PC發(fā)展的大方向?qū)⑹且粋€(gè)無(wú)所不在的運(yùn)算環(huán)境。越來(lái)越多的普通家用電器都帶有PC的功能，用戶可以在家中處理財(cái)務(wù)或是上網(wǎng)。未來(lái)的PC將通過(guò)各種具有電腦能力的家電產(chǎn)品，如以機(jī)頂盒的方式結(jié)合電視、音響而建構(gòu)出無(wú)所不在的PC環(huán)境。而在公共場(chǎng)合中，具有運(yùn)算能力的主機(jī)服務(wù)器將遍布在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形成一種可移動(dòng)的、無(wú)線的運(yùn)算環(huán)境。使用者只需攜帶可隨身的IT設(shè)備，不需做任何連接，利用紅外線的傳輸方式，即可隨時(shí)從公共場(chǎng)合的服務(wù)器主機(jī)上接收自己的電子郵件等重要信息。趨勢(shì)7：更時(shí)尚在未來(lái)社會(huì)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)同產(chǎn)品本身的功能同樣重要，只有更時(shí)尚的產(chǎn)品才能抓住消費(fèi)者的心。未來(lái)的PC在外觀設(shè)計(jì)上將會(huì)有重大突破。事實(shí)上，蘋(píng)果公司的“iMac”設(shè)計(jì)就是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一，產(chǎn)品呈一體化，并且可以通過(guò)顯示屏旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同角度操作。同時(shí)，為了使PC在外觀上更具魅力，制造商們正在尋求新的材料以減少PC機(jī)的塑料感。例如，蘋(píng)果公司目前已經(jīng)引進(jìn)了鈦金和鋁金材料。計(jì)算機(jī)硬件在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，常常產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，從而引起產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、經(jīng)營(yíng)管理和服務(wù)方式等方面的重大變革。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中已出觀了計(jì)算機(jī)制造業(yè)和計(jì)算機(jī)服務(wù)業(yè)，以及知識(shí)產(chǎn)業(yè)等新的行業(yè)。計(jì)算機(jī)硬件還是人們的學(xué)習(xí)工具和生活工具。借助家用計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和各種終端設(shè)備，人們可以學(xué)習(xí)各種課程，獲取各種情報(bào)和知識(shí)，處理各種生活事務(wù)(如訂票、購(gòu)物、存取款等)，甚至可以居家辦公。越來(lái)越多的人的工作、學(xué)習(xí)和生活中將與計(jì)算機(jī)發(fā)生直接的或間接的聯(lián)系。普及計(jì)算機(jī)教育已成為一個(gè)重要的問(wèn)題?？偨Y(jié)總之，中國(guó)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和應(yīng)用已不僅是一種技術(shù)現(xiàn)象而且是一種政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)現(xiàn)象。世界各國(guó)都力圖主動(dòng)地駕馭這種社會(huì)計(jì)算機(jī)化和信息化的進(jìn)程，克服計(jì)算機(jī)化過(guò)程中可能出現(xiàn)的消極因素，更順利地向高智能化方向發(fā)展。也許，再未來(lái)的幾年里，計(jì)算機(jī)的大小并沒(méi)有顯著的變化，但其性能足以勝任人們出于旺盛的好奇心和豐富的想象力而衍生出的各種念頭所做的行動(dòng)。這一點(diǎn)上文已經(jīng)提及。也許，在未來(lái)，我們不必再為網(wǎng)速的緩慢而抱怨過(guò)多，因?yàn)樵?0年之內(nèi)，將會(huì)有比光纖更快的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式誕生并被廣泛應(yīng)用。前幾個(gè)月，索尼正式宣布他們已成功開(kāi)發(fā)出大腦虛擬成像的技術(shù)。這標(biāo)志著"虛擬現(xiàn)實(shí)"的真正到來(lái)。以后人們或許多了一種上網(wǎng)沖浪的方式;只要你愿意。你可以戴上特殊的頭盔裝置或眼罩，便可以把自己置身于一個(gè)虛擬但真實(shí)的世界之中，在這里，你可以做你在現(xiàn)實(shí)中不能干的事情。戴著面具或者