计算机的前世今生

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
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。
晶体管计算机
晶体管与电子管的比较： • 体积比电子管小很多 • 耗电大大降低 • 稳定性有很大提高
1955 年，贝尔实验室使用 800 只晶体管 组装了世界上第一台晶体管计算机 TRADIC。 (Transistor Digital Computer)
集成电路计算机
集成电路与晶体管的比较：
1964 年 4 月 7 日，在 IBM 公司成立 50 周年之 际 ， 由 年 仅 40 岁 的 吉 恩 · 阿姆达尔 (Gene Amdahl)担任主设计师，历时四年研 发的IBM360计算机问世，标志着第三代计 算机的全面登场，这也是 IBM 历史上最为 成功的机型之一。
1500个继电器
功率150KW
第二代电子计算机
主wk.baidu.com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。
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；
（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
与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行计算和存储：它以不同波长的光代表不 同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。 研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提出。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。
因此，智能接口技术的研究既有巨大的应用价值，又有基础的理论意义。目前，智能接口技术已 经取得了显著成果，文字识别、语音识别、语音合成、图像识别、机器翻译以及自然语言理解等 技术已经开始实用化。
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DJS050 1983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；
人工智能
人工智能是人造的智能,是计算机科学、逻辑学、 认知科学交叉形成的一门科学。其基本目标就 是使机器表现出类似人类的智慧,使机器具有类 似人类的智能行为,使机器思维(Making Machine“Think”)。智能接口技术是研究如何 使人们能够方便自然地与计算机交流。为了实 现这一目标，要求计算机能够看懂文字、听懂 语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间 的翻译，而这些功能的实现又依赖于知识表示 方法的研究。
计算机与互联网知识

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
古老的计算工具—算盘
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。
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。
现代电子计算机之父 ——冯·诺伊曼
电子管计算机

1946年世界上第一台电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，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170m2 18800只电子管
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 机异常敏感，哪怕是最小的干扰--比如一束从旁边经过的宇宙射线--也会改变机器内计算原子的方向， 从而导致错误的结果。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
帕斯卡的加法机 巴贝奇差分机
莱布尼兹的乘法机
巴贝奇分析机
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MARK I
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。



智能手机的代表

操作系统：Android OS v2.2 CPU型号 ：NVIDIA Tegra2 CPU频率：1024MHz 可用空间 16GB


内存 ：1GB ROM+1GB RAM
主屏尺寸： 4.0英寸
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，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。
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）电子式纳米计算技术；
• 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。
阿塔纳索夫及ABC计算机
被“遗忘”的电子计算机之父 ——约翰·阿塔纳索夫 （John Atanasoff，1903-1995）
存放在衣阿华州立大学的ABC计算机(Atanasoff-Berry Computer)
冯· 诺伊曼及冯· 诺伊曼结构
1945年6月30日，冯· 诺依曼发表“101页报告”——First Draft of a Report on the EDVAC； 1946 年 7 、 8 月 间 ， 冯 · 诺依曼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” （Preliminary discussion of the the logical design of an electronic computing instrument）。
这两篇报告的综合设计思想，便是著名的“冯 · 诺依曼结构（ von Neumann Architecture）”。报告明确指出： 采用二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制； 计算机由5部分构成：运算器、控制器、存储器、输入和输出装置； 程序由指令组成并和数据一起存放在存储器中，机器按程序指定的逻辑顺序，把 指令从存储器中读出来并逐条执行，从而自动完成程序描述的处理工作。(即，“存 储程序”思想)
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