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1、计算机的发展 计算机发展简史未来的计算机计算机改变生活 古典计算机器时代 计算设备还不是科学 而是工具 出现一些具备计算和存储信息能力的设备 辅助计算的基本手段出现 主要针对的是数字 主要特点 计算设备作为人脑计算的辅助工具 不具备自动计算能力 早期的计算机器 早期的计算机器 哈佛大学研制的机电式自动顺序控制计算机MARKI 现代计算机 第一代计算机 主要特点逻辑元件 电子管主存 磁鼓辅存 磁带软件 机器语言 符号语言应用 科学计算主要成就数字电子计算机的出现 揭开了人类历史新篇章 1946年6月 冯 诺依曼提出了 存储程序 的概念以及计算机组成和框架 奠定了现代计算机的基础 图灵 图灵机及图
2、灵测试 阿塔纳索夫及ABC计算机 冯 诺伊曼及冯 诺伊曼结构 电子管计算机 1946年世界上第一台电子计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndComputer 注意ENIAC并不是基于 存储程序 工作的计算机 在美国宾夕法尼亚大学研制成功 5000次加法 秒体重30吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW 第二代电子计算机 主要特点逻辑元件 晶体管主存 磁芯辅存 磁盘软件 高级程序设计语言 操作系统应用 除科学计算外 已应用于数据处理 过程控制主要成就首次将晶体管用于计算机 使计算机缩小了体积 减低了功耗 提高了速度和可靠性 发
3、明了高级语言 首次提出了计算机的兼容问题 包括硬件兼容和软件兼容 晶体管计算机 集成电路计算机 第四代电子计算机 主要特点逻辑元件 大规模 超大规模集成电路 LSI VLSI 主存 LSI VLSI半导体芯片辅存 磁盘 光盘软件 高级程序设计语言 操作系统应用 科学计算 数据处理 过程控制 并进入以计算机网络为特征的应用时代 各种第四代计算机 我国计算机的发展 1958年研制出第一台电子管计算机1964年研制出第二代晶体管计算机1971年研制出第三代集成电路计算机1977年研制出第一台微机DJS0501983年研制成功银河亿次机 第四代计算机 2002年9月联想集团研制成功 深腾1800 计算
4、机 运算速度超过1万亿次 秒2003年12月 我国自主研发出国内最快 世界第三的10万亿次曙光4000A高性能计算机2010年 中国国防科大研制的 天河一号 在高性能计算机排行榜上位列第一 曙光公司部署在深圳计算中心的 星云 排行第三 我国计算机产业发展存在的问题 自主创新能力不足 核心技术缺失 CPU制造技术 高科技材料技术 操作系统技术 高性能网络服务器技术 大规模软件几乎空白 发展体制存在缺陷 相关法律法规不够健全 知识产权保护存在漏洞 计算机分类1 按照处理数据信息形式分类 1 数字计算机 2 模拟计算机 3 数字模拟混合计算机2 按照规模分类 1 巨型机 2 大型机 3 小型机 4
5、微型机 18 按照功能分类按照计算机功能 一般可分为专用计算机和通用计算机 1 1 4计算机特点 1 运算速度快2 计算精度高3 逻辑判断能力4 海量存储能力5 高度自动控制功能 20 1 1 5计算机应用 1 科学计算2 信息处理3 过程控制4 计算机辅助系统5 网络通信6 人工智能7 多媒体应用 未来的计算机 巨型化 天文 军事 仿真 科学计算等领域需要进行大量的计算 要求计算机有更高的运算速度 更大的存储量 这就需要研制功能更强的巨型计算机 专业化 工业计算机 嵌入式设备在工业上和专业领域应用前景广阔 车载电脑 工控计算机 银行系统等 微型化 专用微型机已经大量应用于仪器 仪表和家用电器
6、中 笔记本电脑已经大量进入办公室和家庭 但是便携性 续航能力仍不够人们全天候使用 应运而生的便携式互联网设备 MID 智能手机 平板电脑不断涌现 迅速普及 网络化 移动通信和互联网成为当今世界发展最快 市场潜力最大 前景最诱人的两大业务 它们的增长速度都是任何预测家未曾预料到的 所以移动互联网可以预见将会创造怎样的经济神话 智能化 目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动 但是人们希望计算机具有更多人的智能 比如 自行思考 智能识别 自动升级等等 下一代计算机 随着计算机技术的发展 它已经成为我们工作上的工具 生活中的控制中心是必然的事情 计算机的未来充满了变数 性能的大幅度提高是不可置疑的
7、而实现性能的飞跃却有多种途径 不过性能的大幅提升并不是计算机发展的唯一路线 计算机的发展 还应当变得越来越人性化 同时也要注重环保等等 基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台 但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究 这些计算机是 超导计算机 纳米计算机 光计算机 DNA计算机和量子计算机等 摩尔定律 微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番 价格降低一半 第五代电子计算机 从20世纪80年代开始 日本 美国 欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究 人们普遍认为新一代计算机应该是智能型的 它能模拟人的智能行为 理解人类自然语言 并继续向着微型化 网络化发展 综合起来大概有以下几个研究方
8、向 人工智能计算机巨型计算机多处理机激光计算机超导计算机生物晶体计算机 DNA计算机 量子计算 分子计算机分子计算机体积小 耗电少 运算快 存储量大 分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息 并以更有效的方式进行组织排列 分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程 转换开关为酶 而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来 生物分子组成的计算机具备能在生化环境下 甚至在生物有机体中运行 并能以其它分子形式与外部环境交换 因此它将在医疗诊治 遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用 分子芯片体积可比现在的芯片大大减小 而效率大大提高 分子计算机完成
9、一项运算 所需的时间仅为10微微秒 比人的思维速度快100万倍 分子计算机具有惊人的存贮容量 1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据 分子计算机消耗的能量非常小 只有电子计算机的十亿分之一 超导计算机 芯片的集成度越高 计算机的体积越小 这样才不致因信号传输而降低整机速度 但这样一来就使机器发热严重 解决问题的出路是研制超导计算机 电流在超导体中流过时 电阻为零 介质不发热 1962年 英国物理学家约瑟夫逊提出了 超导隧道效应 即由超导体 绝缘体 超导体组成的器件 约瑟夫逊结 当对其两端加电压时 电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质穿过 形成微小电流 而该器件两端的压降几乎为零 与
10、传统的半导体计算机相比 使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一 而执行一条指令所需的时间却要快100倍 1999年11月 日本超导技术研究所与企业合作 制作了由1万个约瑟夫逊元件组成的超导集成电路芯片 据悉 该所定于2003年生产这种超导芯片 2010年前后制造出这种超导计算机 纳米计算机 在纳米尺度下 由于有量子效应 硅微电子芯片便不能工作 其原因是这种芯片的工作 依据的是固体材料的整体特性 即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律 如果在纳米尺度下 利用有限电子运动所表现出来的量子效应 可能就能克服上述困难 可以用不同的原理实现纳米级计算 目前已提出了四种工作机制 1 电子式
11、纳米计算技术 2 基于生物化学物质与DNA的纳米计算机 3 机械式纳米计算机 4 量子波相干计算 它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础 光子计算机 光子计算机是一种由光信号进行数字运算 逻辑操作 信息存贮和处理的新型计算机 光子计算机的基本组成部件是集成光路 要有激光器 透镜和核镜 由于光子比电子速度快 光子计算机的运行速度可高达一万亿次 它的存贮量是现代计算机的几万倍 还可以对语言 图形和手势进行识别与合成 目前 许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究 随着现代光学与计算机技术 微电子技术相结合 在不久的将来 光子计算机将成为人类普遍的工具 研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就
12、已提出 1986年 贝尔实验室的戴维 米勒研制成功小型光开关 为同实验室的艾伦 黄研制光处理器提供了必要的元件 1990年1月 黄的实验室开始用光计算机工作 光计算机有全光学型和光电混合型 上述贝尔实验室的光计算机就采用了混合型结构 相比之下 全光学型计算机可以达到更高的运算速度 研制光计算机 需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学 晶体管 现有的光学 晶体管 庞大而笨拙 若用它们造成台式计算机将有辆汽车那么大 因此 要想短期内使光学计算机实用化还很困难 光子计算机 生物计算机20世纪80年代以来 生物工程学家对人脑 神经元和感受器的研究倾注了很大精力 以期研制出可以模拟人脑思维 低耗
13、 高效的第六代计算机 生物计算机 用蛋白质制造的电脑芯片 存储量可以达到普通电脑的10亿倍 生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍 传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍 DNA计算机 1994年11月 美国南加州大学的阿德勒曼博士用DNA碱基对序列作为信息编码的载体 在试管内控制酶的作用下 使DNA碱基对序列发生反应 以此实现数据运算 阿德勒曼在 科学 上公布了DNA计算机的理论 引起了各国学者的广泛关注 阿德勒曼的计算机的计算与传统的计算机不同 计算不再只是简单的物理性质的加减操作 而又增添了化学性质的切割 复制 粘贴 插入和删除等种种方式 DNA计算机的最大优点在于其惊人
14、的存储容量和运算速度 1立方厘米的DNA存储的信息比一万亿张光盘存储的还多 十几个小时的DNA计算 就相当于所有电脑问世以来的总运算量 更重要的是 它的能耗非常低 只有电子计算机的一百亿分之一 与传统的 看得见 摸得着 计算机不同 目前的DNA计算机还是躺在试管里的液体 它离开发 实际应用还有相当的距离 尚有许多现实的技术性问题需要去解决 DNA计算机 DNA计算机在与人对玩游戏中取胜 神经计算机 模仿人类大脑功能的神经计算机已经开发成功 它标志着电子计算机的发展进入第六代 第六代电子计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能力 并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机 与以逻辑处理为主的第五代
15、计算机不同 它本身可以判断对象的性质与状态 并能采取相应的行动 而且它可同时并行处理实时变化的大量数据 并引出结论 以往的信息处理系统只能处理条理清晰 经络分明的数据 而人的大脑却具有能处理支离破碎 含糊不清信息的灵活性 第六代电子计算机将类似人脑的智慧和灵活性 电子计算机的发展已经进入了第六代 这种发展可能仅仅是刚起步 前途没有止境 用许多微处理机模仿人脑的神经元结构 采用大量的并行分布式网络就构成了神经电脑 神经电脑除有许多处理器外 还有类似神经的节点 每个节点与许多点相连 若把每一步运算分配给每台微处理器 它们同时运算 其信息处理速度和智能会大大提高 其特点是可以实现分布式联想记忆 并能
16、在一定程度上模拟人和动物的学习功能 它是一种有知识 会学习 能推理的计算机 具有能理解自然语言 声音 文字和图像的能力 并且具有说话的能力 使人机能够用自然语言直接对话 它可以利用已有的和不断学习到的知识 进行思维 联想 推理 并得出结论 能解决复杂问题 具有汇集 记忆 检索有关知识的能力 量子计算机 量子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 对此 有人曾经作过这样的比喻 假设一只老鼠准备绕过一只猫 根据经典物理学理论 它要么从左边过 要么从右边过 而根据量子理论 它却可以同时从猫的左边和右边绕过量子计算机在外形上有较大差异 它没有盒式外壳 看起来像是一个被其它物质包围的巨大磁场 它不能利用硬盘实现信息的长期存储 但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景 如何实现量子计算 方案并不少 问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了 这些计算机机
