计算机发展

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在人类文明发展的历史上中国曾经在早期计算工具的发明创造方面书写过光辉的一页。远在商代，中国就创造了十进制计数方法，领先于世界千余年。到了周代，发明了当时最先进的计算工具——算筹。这是一种用竹、木、金属或骨制成的颜色不同的小棍。计算每一个数学问题时，通常编出一套歌诀形式的算法，一边计算，一边不断地重新布棍。中国古代数学家祖冲之，就是用算筹计算出圆周率在 3.01415926 和 3.1415927 之间，这一结果比西方早一千年。

算盘是中国的又一独创，也是计算工具发展史上的第一项重大发明。这种轻巧灵活、携带方便、与人民生活关系密切的计算工具，最初大约出现于汉朝，到元朝时渐趋成熟，在计算机已被普遍使用的今天，古老的算盘不仅没有被废弃，反而因他的灵便、准确等优点，在许多国家方兴未艾。联合国教科文组织正式认定珠算成为人类非物质文化遗产。

西方最早的计算工具是由英国人冈特在 1921 年发明的计算尺。不过在他之前达•芬奇已经在手稿中提出了计算工具的设想，并做出了关于机械式计算工具设计方案的记录。

什么是计算机

计算机（Computer）俗称电脑，包括主机电脑、便携式计算机（笔记本电脑）。计算机是20世纪最伟大的科学技术发明之一。计算机是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的一种现代化智能电子设备，由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机成为裸机。计算机一般分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机和嵌入式计算机五类，较为先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。

计算机发展

“四代”计算机

1946年6月，美籍数学家 冯•诺伊曼（Von Neumann）提出一个利用“二进制”数进行“存储程序”的计算机设计方案。这个方案确定：以二进制形式表示数据和指令；指令和数据同时存放在存储器中；计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。奠基了计算机的结构理论体系。 

自问世以来，以构成计算机硬件的逻辑组件为标志，计算机发展大致经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模和超大规模集成电路计算机等四个发展阶段，通常称为 “四代” 计算机。

四代计算机简要

	第一代 （1946—1957 年）	第二代 （1957—1964 年）	第三代 （1964—1972 年）	第四代        （1972 年至今）
逻辑元件	电子管	晶体管	中小规模集成电路	大规模和超大规模集成电路
存储器	延迟线、磁鼓、磁芯	磁芯、磁带、磁盘	磁芯、磁带、磁盘	磁盘、光盘、半导体
典型机器	IBM-701         IBM-650	IBM-7090         IBM-7094	IBM-370（大型）    IBM-360（中型）    PDP-11（小型）	ILLIAC-IV（巨型）        IBM-3033（大型）        VAX-11（小型）        80486（微型）        8098（单片机）
软件	机器语言          汇编语言	高级语言          管理程序	结构化程序设计          操作系统	数据库，软件工程         程序设计自动化
应用	科学计算	数据处理          工业控制          科学计算	系统模拟、系统设计、大型科学计算、科技工程各领域	事务处理、智能模拟、大型科学计算、普及到社会生活各方面

1.第一阶段：电子管数字计算机（1946年——1958年）

从硬件方面，逻辑元件采用真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。软件方面采用机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主。特点：体积大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般为每秒数千次至万次）、价格昂贵。但为后来计算机发展奠定了基础。

2. 第二阶段：晶体管数字计算机（1958年——1964年）

硬件方面，逻辑元件采用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。软件方面出现了以批处理为主的操作系统、高级语言及编译程序。应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点：体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。

3.第三阶段：集成电路数字计算机（1964年——1970年）

硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI)，为主存储器仍采用磁芯。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点：速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。

4.第四阶段：大规模集成电路计算机（1970年至今）

硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI、VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。特点：1971年世界第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代，应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

自第四代计算机以来，计算机的硬件和软件技术都获得了惊人的发展。计算机系统向微型化、巨型化、网络化和智能化的方向发展，计算机系统软件的功能日趋完善，规模越来越大，应用软件的开发日趋简便。多媒体技术的兴起引发了计算机应用领域的革命，人们利用声音、符号、图形、图像技术即可开发计算机的应用。在网络技术的支持下,信息表达工具(电话、电视、终端)、信息处理工具(计算机)和信息传输工具(有线通信、无线通信及卫星通信)已趋于一体化，为人类方便地处理信息开辟了更广阔的前景。下面分别介绍计算机在上述各方面的发展概况。

现代计算机的主要类型

发展方向

计算机出现至今，经历了机器语言、程序语言、简单操作系统和 Linux、Macos、BSD、Windows等现代操作系统四代，运行速度得到大幅提升，第四代计算机的运算速度已经达到每秒几十亿次。计算机也由原来的仅供军事科研使用发展到人人拥有，计算机强大的应用功能，产生巨大市场需求，未来计算机性能应向着微型化、网络化、智能化和巨型化的方向发展。

①巨型化。

巨型化是指为了适应尖端科学技术的需要，发展高速度，大存储容量和功能强大的超级计算机。随着人们对计算机的依赖性越来越强，特别是在军事和科研教育方面对计算机的存储空间和运行速度的要求会越来越高。此外计算机的功能更加多元化。

②微型化。

随着微型处理器（CPU）的产生，计算机中开始使用微型处理器，使计算机体积缩小了，成本降低了。另一方面，软件行业的飞速发展提高了计算机内部操作系统的便捷度，计算机外部设备的趋于完善。计算机理论和技术上的不断完善，促使微型计算机很快渗透到全社会的各个行业和部门中，并成为人们生活和学习的必需品。近40年来，计算机的体积不断缩小，台式电脑、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑体积逐步微型化，为人们提供便捷的服务。因此未来计算机仍会不断趋于微型化，体积将越来越小。

③网络化。

互联网将世界各地的计算机连接在一起，从此进入了互联网时代。计算机网络化彻底改变了人类世界，人们通过互联网进行沟通、交流（QICQ、微博等），教育资源共享（文献查阅、远程教育等）、信息查阅共享（百度、Google）等，特别是无线网络的出现，极大的提高了人们使用网络的便捷性，未来计算机将会进一步向网络化方面发展。 

④人工智能化。

计算机人工智能化是未来发展的必然趋势。现代计算机具有强大的功能和运行速度，但与人脑相比，其智能化和逻辑能力仍有待提高。人类在不断探索如何让计算机能够更好的反映人类思维，使计算机能够具有人类的逻辑思维判断能力。可以通过思考与人类沟通交流，抛弃以往的通过编码程序。来运行计算机的方法，直接对计算机发出指令。

⑤多媒体化。

传统的计算机处理的信息主要是字符和数字。事实上人们更习惯的是图片、文字、声音、影像等多种形式的多媒体信息。多媒体技术可以及图形、图像、音频、视频、文字为一体。使信息处理的对象和内容更加推进真实世界。

计算机类别

通常人们“分代”表示计算机在纵向的历史中的发展情况，用“分类”表示计算机在横向的地域上的发展、分布和使用情况。我国（中国）计算机界通常把计算机分为：巨、大、中、小、微5个类别。国内外多数书刊也采用国际通用的分类方法，根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）1989年提出的标准来划分，将计算机分成巨型机、小巨型机、大型主机、小型主机、工作站和个人计算机等6类。

①巨型机（Supercomputer）。

巨型机也称为超级计算机，在所有计算机类型中占地最大，价格最贵，功能最强，其浮点运算速度最快（1998年达到3.9TELOPS），即每秒3.9万亿次，只有少数国家的几家公司能够生产。多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、中长期天气预报以及社会模拟等领域。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度，成为衡量一个国家经济实力和科技水平重要标志。

②小巨型机（Minisupercomputer）。

小型超级电脑或称桌上型超级计算机，出现在20世纪80年代中期，功能低于巨型机，速度达到1TELOPS，即每秒10亿次，价格只有巨型机的十分之一。

③大型主机（Mainframe）。

大型机或称作大型电脑，覆盖国内通常说的大、中型机。特点：大型、通用，征集处理速度高达300~750 MIPS，具有很强的处理和管理能力，主要用于大银行、大公司、规模较大的高效和科研院所。

④小型主机（Minicomputer，or：Minis）。

小巨型机结构简单，可靠性高，成本较低，不需要经过长期培训即可维护和使用，对于广大的中小用户较为适用。

⑤工作站（Workstation）。

介于PC 和小型机之间的一种高档微机（是机器而不是地方），运算速度快，具有较强的联网的功能，用于特殊领域，如图像处理、计算机辅助设计等。他与网络系统中的“工作站”，在用词上相同，含义不同。网络上的“工作站”泛指联网用户的结点，以区别网络服务器，常由一般PC 充当。

⑥个人计算机（Personal Computer）。

通常所说的电脑、微机或计算机，一般指PC。出现在20世纪70年代，以设计先进（总是率先采用高性能的微处理器MPU）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势拥有广大用户，因此推动计算机的普及应用。PC 的主流公司IBM 在1981年推出的PC 系列以及其众多的兼容机。PC包括台式机、膝上型、笔记本、掌上机、手表型等多种类型。

三类计算机主要发展

在我国，计算机技术的发展深刻地影响着人们生产和生活。特别是随着微型处理器结构的微型化，计算机从之前的应用于国防军事领域开始向社会各个行业发展，如教育系统、商业领域、家庭生活等。

世界第一个微处理器芯片是 1971 年 11 月，英特尔公司的 特德 • 霍夫（Ted Hoff）设计的 Intel 4004。Intel 4004 CPU 使用 8 位指令处理4位数据，指令和数据是分开的，分别有 4096 个 4 位宽的指令存储单元和 1KB 4 位宽的数据存储单元，最大寻址范围是：640 字节。Intel 4004 CPU 有 46 条指令，工作时钟为：108kHz，核心大小为 3 X 4mm，有 2250 个晶体管，晶体管的线宽为 10 μm，每秒运算 6 万次。

在微处理器外，加上随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、I/O、总线接口，就可以构成微型计算机（简称微机）。最早的微型计算机诞生于 20 世纪 70 年代，APPLE Ⅱ 型和中华学习机就是其中的典型代表。目前国内市场上主流产品时 PC 系列微型计算机，起源于 IBM 公司于 1980 年推出 IBM PC ，以及随后推出的 IBM PC/XT 和 IBM PC/AT。

由于 IBM 公司生产的 PC 机采用了“开放式体系结构”，并且公开了其技术资料，因此其他公司先后为 IBM 系列 PC 机推出了不同版本的系统软件和丰富多样的应用软件，以及硬件配套产品。有些公司又推出与 IBM 系列 PC 机相兼容的各种兼容机，从而促使 IBM 系列的 PC 机迅速发展，并成为 20 世纪微型计算机中的主流产品。现在的 PC 机采用模块化的标准插卡结构，可以方便地从市场上买到所有配件，根据需要自己组装一台任意档次的微型计算机。导致微型计算机市场竞争激烈，品种繁多，同时价格迅速下降，在一定程度上对微型计算机的大量普及和应用起到了积极作用。在 IBM 首创的台式 PC 基础上，便携式笔记本计算机、平板式计算机也不断发展，大有取代台式计算机的趋势。同时随着互联网络的告诉发展，也使微型计算机朝着小型化、便携化、互联网化的方向迅猛发展和普及。

1.微型计算机

随着微电子技术的发展，一台计算机的各组成部分甚至整台计算机都可集成在一片大规模或超大规模集成电路芯片上,这就出现了以微处理器为核心的微型计算机,简称微型机或微机。自 1971 年美国 Intel 公司推出第一台微处理器 Intel 4004 以来，微型计算机的发展大致经历了五个阶段。

（1）第一阶段（1971-1973 年）

该阶段的典型微处理器有 Intel 4004、Intel 8008，数据线为 4~8 位，地址线为 4~8 条。由这些微处理器所组成的微型计算机比较简单，指令系统不完整，只支持汇编语言，无操作系统，主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。其芯片采用 PMOS 工艺,速度较慢。

（2）第二阶段（1974-1977 年)

该阶段具有代表性的微处理器有 Intel 8080、Intel 8085、M6800、Z80 等，数据线为 8 位，地址线为 16 条。由这些微处理器所组成的微型计算机已有较完整的指令系统，并配有简单的磁盘操作系统（如CPM），支持高级编程语言，有较强的功能，出现了个人计算机（Personal Computer，PC）。其芯片采用 NMOS 工艺，速度较快。

（3）第三阶段（1978-1981 年)

该阶段典型的微处理器有 Intel 8086,MC68000,Z8000等,数据线为16位,地址线有20-24条。由这些微处理器所组成的微型计算机已吸收传统小型计算机甚至大型计算机的设计思想,如虚拟存储和存储保护等,已具备较完善的操作系统、高级语言、工具软件和应用软件,出现了多用户微型计算机系统及多处理机微型计算机系统。

（4）第四阶段（20 世纪 80 年代初期至中期)

该阶段的代表性微处理器有 Intel 80x86（如 80286，80386，80486)，数据线为 16~32 位，地址线为 24~32 条。由这些微处理器所组成的微型计算机在芯片、操作系统及总线结构等方面完全开放，实际上已形成国际性的微型机工业生产的主要标准，是微型机发展的里程碑。该阶段的微型机已具有菜单式选择功能及图形用户界面，推动了微型机应用的飞速发展。

（5）第五阶段（20 世纪 80 年代中后期开始)

该阶段的典型微处理器有 PentiumI-Pentium IV、SPARC,Power60x 等，数据线为 64 位，地址线为 32 条。这些微处理器采用了精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC)技术，使微处理器的体系结构发生了重大变革。由 Intel 80x86 发展而来的 Pentium 微处理器尽管是复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC)，但采用了大量 RISC 技术，指令执行时间大大缩短。RISC 微处理器（如 SPARC、Power60x）的推出使微型机的运算速度提高到几亿次每秒。RISC 技术使微型机、小型机和大型机的界限越来越模糊。

微型计算机按组装形式可分为便携式和非便携式两类，前者如笔记本电脑，后者如常见的台式微型机。根据微型计算机是否由最终用户使用，微型机可以分为独立式微型计算机和嵌人式微型计算机。前者可供最终用户直接使用，最常见的是个人计算机。后者则作为信息处理部件被装入应用设备，最终用户使用的是该设备，如医疗设备、高级录像机、家电产品等，嵌入式微型机一般是单片机或单板机。

人们不断研究集成电路的制造工艺，从光刻技术、微刻技术到现在的纳刻技术，使得集成电路的规模越来越大，形成了超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）。集成电路的发展就像 Intel 创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）预言的一样：“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目大约每隔18个月增加1倍,性能也将提升1倍”（称为摩尔定律）。例如，苹果的 A14 芯片有 125~150 亿个晶体管。但是由于芯片技术的快速发展，摩尔定律受到了一定挑战，主要是随着更多晶体管被装人芯片，出现了电子能量外泄和热量散发的现象。

在 1995 年美国芝加哥举行的信息技术国际研讨会上，美国科学家杰克·基尔比博士就表示，5nm 处理器的出现或将终结摩尔定律。作为世界的芯片巨头，台积电（TSMC）在 2020 世界半导体大会上表示，台积电的 5nm 产品已经进入批量生产阶段，3nm 产品预计在 2022 年进人大批量生产阶段。

科学家还在不断进行新形式的元器件研究，他们发现蛋白质具有 0、1 控制的特性，它能否被用于制作芯片呢？这种生物芯片在解决一些复杂的计算时是否会有与人一样的计算模式呢？目前，生物芯片方面已经取得不少的成果,其应用价值有待进一步开发。

2.巨型计算机

尖端科学技术的发展要求具有超高速、超大容量和高可靠性的计算机，以满足大量复杂的高精度数据计算和处理的要求，这就促进了巨型计算机（Super Computer）的发展。早期典型的巨型计算机如美国的 ILLIAC-IV 型计算机（运算速度为每秒 1.5 亿次）、CRAY-1 型计算机（运算速度为每秒 1 亿次）。

中国于 1983 年研制成功 “银河” 计算机，其运算速度超过 1 亿次每秒。1994 年初，研制成功 “曙光一号” 并行计算机，其定点运算速度可达 6.4 亿次每秒。2002年8月公布的联想深腾1800,其运算速度实测为每秒 1.027 万亿次（浮点运算），这些都标志着中国已跻身世界巨型计算机的先进行列。中国自主研制的“神威·太湖之光”超级计算机（2016 年问世）连续四次雄踞“全球超级计算机500 强”榜首、连续两次摘得高性能计算应用领域最高荣誉“戈登·贝尔奖”。“神威·太湖之光”安装了 40960 个中国自主研发的“申威 26010 ”众核处理器,该众核处理器采用 64 位自主申威指令系统，峰值性能为每秒 12.54 京次（1 亿亿为 1 京），持续性能为每秒 9.3 京次。它 1 分钟的计算能力需要全球 72 亿人同时用计算器不间断计算 32 年。2020 年 7 月，中国科学技术大学在“神威·太湖之光”上首次实现千万核心并行第一性原理计算模拟。2020 年 6 月，超级计算机 500 强第一名为日本的富岳（Fugaku），运行速度为每秒 41.553 京次，峰值浮点性能高达 51.3 京次，基于富士通 48 核 A64FX 系统芯片能够运行 158976 个独立 CPU，为第一台运行在 ARM 架构处理器上的超级计算机。

超高速的运算能力已成为巨型机的主要指标,而传统的结构单靠提高电子器件的速度已无法实现上亿次的运算。为此，必须从计算机的系统结构上进行改革，这就出现了巨型机所特有的结构形式，如用多个 CPU 构成一个计算机系统,这就需要研究多 CPU 协同工作的分布式计算、并行计算及多种体系结构等技术。

发展高速度、大容量、功能强大的超级计算机，对于进行科学研究、保卫国家安全、提高经济竞争力具有非常重要的意义。气象预报、航天工程、石油勘测、人类遗传基因检测、机械仿真等现代科学技术，以及先进武器的研发、军事作战的谋划和执行、图像处理及密码破译等，都离不开高性能计算机。研制超级计算机的技术水平体现了一个国家的综合国力,已成为各国在高技术领域的竞争热点。

3.人工智能与第五代计算机

人工智能（Artificial Inteligence，AI）是研究如何用人工的方法和技术来模仿、延伸和扩展人的智能，以实现某些“机器思维”或脑力劳动自动化的一门学科。例如，应用人工智能的方法和技术，设计和研制各种计算机的“机器专家”系统，可以模仿名行各业的专家,去从事医疗诊断、质谱分析、矿床探查、数学证明和管理决策等脑力劳动工作，完成某些需要人的智能、专门知识和经验技巧的任务。为了使机器具有类似人的智能,需要解决下列三方面的问题。

①机器感知知识获取：

研究机器如何直接或间接获取知识及如何输人自然信息（文字、图像、声音、语言、物景）等工程技术方法。

②机器思维知识处理：

研究在机器中如何表示知识和存储知识,如何进行知识推理和问题求解等工程技术方法。

③机器行为知识运用：

研究如何运用机器所获取的知识,通过知识信息处理,做出反应，付诸行动，以及各种智能机器和智能系统的设计方法和工程实现技术。

“人工智能” 术语是 1956 年在美国召开的 “关于用机器模拟智能” 的学术讨论会上首次正式采用的，标志着人工智能学科的诞生。1969 年，国际人工智能联合会（IJCAI）成立，并决定每两年召开一次国际人工智能学术会议。此后，美、日等国家对人工智能的学科体系实用技术开展了广泛的研究,出现了多种实用的人工智能专家系统,如化学专家系统 DENDRAL、医学专家系统 MYCIN、探矿专家系统 PROSPECTOR等。1981 年，在日本举行了 “第五代计算机” 国际学术会议，为期十（1982-1991 年）的 “知识信息处理系统（KIPS）” 开始研制。日本政府为了实现这一宏伟目标筹资 1000 亿日元，专门成立了 “新一代计算机技术研究所”（Institute for New Generation Computer Technology，ICOT）。

KIPS（Knowledge Information Processing System，知识信息处理系统）就是人们通常所说的第五代计算机系统（Fifth Generation Computer System，FGCS），又称为智能计算机，由下列
各部分组成：

①知识库（Knowledge Bank，KB）、知识库计算机（Knowledge Bank Machine，KBM）和知识库管理系统（Knowledge Bank Management System，KBMS）。

②问题求解和推理机。

③智能接口系统。

④应用系统。

第五代计算机系统要达到的目标是：

①用自然语言、图形、图像和文件进行输人/输出。

②用自然语言进行对话的信息处理方式,为外行使用计算机提供方便。

③能处理和保存知识,以供使用;配备各种知识数据库,起顾问作用。

④能够自学习和推理,帮助人类扩展自己的才能。

由以上可知,第五代计算机与传统计算机的主要差别在于：

①处理的“信息”是“知识”，而不是“数据”。

②“信息”的传输是知识的传输，而不是字符串的传输。

③“信息”的处理是对问题的求解和推理，而不是按既定进程进行计算。

④“信息”的管理是知识的获取和利用，而不是数据收集、积累和检索。

日本的第五代计算机系统研制于 1992 年结束，虽然并未达到预定的目标，但在智能计算机领域中完成了大量的基础研究工作。第五代计算机的研制激起了人工智能热潮，美、英、法等国家（或地区）相继制定对策和发展战略，如美国国防部的第五代计算机计划、英国的“呵尔维”计划、法国的“尤利卡”计划等。关于人工智能和新一代计算机的研究、开发和应用已列入许多国家发展战略的议事日程,成为科技发展规划的重要组成部分。

人工智能的实现离我们尚远，但其研究成果已显现出来。几个典型的智能计算的成果是：1997年，IBM 的 “深蓝” 计算机以 3.5 ：2.5 的比分战胜了国际象棋特级大师卡斯帕罗夫。2003年，“小深” 替换上场，以 3 ：3 的比分 “握手言和” 。2011 年，IBM 的“沃森”计算机在美国的一次智力竞猜电视节目中，成功击败该节目历史上两位最成功的人类选手，能够理解人类主持人以英语提出的如“哪位酒店大享的肘子戳坏了他自己的毕加索的画，之前这幅画值 139 亿美元，之后只值 8500 万美元”等抽象的问题。2016 年 3 月，阿尔法围棋（AlphaGo）与围棋世界冠军、职业九段棋手李世石进行围棋人机大战,以 4：1的总比分获胜。2016 年年末至 2017 年年初，该程序在中国棋类网站上以“大师” （Master）为注册账号与中日韩数十位围棋高手进行快棋对决，连续60局无一败绩。2017 年 5 月，在中国乌镇围棋峰会上，它与排名世界第一的世界围棋冠军柯洁对战，以  3 ：0 的总比分获胜。围棋界公认，阿尔法围棋的棋力已经超过人类职业围棋顶尖水平，在 GoRatings 网站公布的世界职业围棋排名中，其等级分曾超过当时排名人类第一的棋手柯洁。

大家都用过搜索引擎（如“百度”或“谷歌”）来进行搜索，输人我们想要的特征关键字后，它的检索结果是否是我们想要的呢？从第一天使用开始，到今天为止，你是否发现它的检索结果越来越符合我们的期望？这是否有智能计算的影子呢？另一个智能计算的例子就是模式识别：指纹识別技术已经得劉广泛应用。机器翻译方面也取得了一些进展，计算机辅助鄱译极大提高了翻译效率。在输人方面，手写输人技术已经在手机上得到应用。语音输人也在不断完善中。这一切都在向智能人机交互方向发展，即让计算机能够听懂人类的语言，看懺人类的支信，能够像人类一样具有自我学习与揭高的能力，能够吸收不同的知识并灵活运用知识，能够进行如人类一样的思维和推理。

我国计算机的发展

华罗庚教授是我国计算技术的奠基人和主要的开拓者之一。1947-1948 年，华罗庚在美国普林斯顿高级研究院担任访问研究院时，冯 • 诺依曼正在设计世界上第一台存储程序的通用电子数字计算机。华罗庚参观了冯 • 诺依曼实验室，并同冯 • 诺依曼讨论有关学术问题。此时，华罗庚已经开始勾画中国电子计算机事业的蓝图。

1952 年在全国大学院系调整时，华罗庚从清华大学电机系物色了闵乃大、夏培肃和王传英三位科研人员在他所任所长的中国科学院数学所内建立了中国第一个电子计算机科研小组。1956 年，周总理亲自主持制定的 《十二年科学技术发展规划》中，就把计算机列为发展科学技术的重点之一，并在 1957 年筹建中国第一个计算机技术研究所。

1958 年，中科院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机 103 机（八一型），标志着我国第一台电子计算机的诞生。1965 年，中科院计算机所研制成功第一台大型晶体管计算机 109 乙，之后推出 109 丙机，该机在两弹试验中发挥了重要作用。

进入 20世纪 70 年代，中国对于超级计算机的需求日益激增，中长期天气预报、模拟风洞试验、三维地震数据处理，以致新武器的开发和航天事业都对计算能力提出了新的要求，为此中国开始了对超级计算机的研发。

1983 年 12 月 4 日研制成功银河一号超级计算机，在发展银河和曙光系列的同时，中国发现由于向量型计算机自身的缺陷很难继续发展，因此需要发展并行型计算机，于是中国开始研发神威超级计算机，并在神威超级计算机基础上研制了神威蓝光超级计算机。2002 年中国联想集团研发成功深腾 1800 型超级计算机，并开始发展沈腾系列超级计算机。

2010 年，中国第一次拥有两可全球最快的超级计算机“天河一号” 超级计算机，每秒超过 10 亿亿运算，而所用平台是 Intel 提供的大约 10 万颗 CPU。

2013 年国防科学技术大学研制的“天河二号”超级计算机系统，2013 年全球最快超级计算机。2015 年 4 月 9 日，美国商务部发布的一份公告，决定禁止向中国 4 家国家超级中心出售至强（XEON）芯片，这一决定是天河二号升级受到阻碍。

2016 年 6 月，中国已经研发出当时世界上最快的超级计算机“神威 • 太湖之光”，落户在无锡的中国国家超级计算机中心。

2017 年 6 月 20 日德国法兰克福国际超级计算机大会（ISC）公布了世界计算机 500 强榜单，中国最新的超级计算机神威太湖之光登顶，并且实现了其核心处理器的全国化。

计算机发展趋势

计算机科学的发展趋势可归纳 “高” “广” “深” 三个方向。

“高”

第一个方向是向 “高” 的方向发展。

要求计算机的性能越来越高，速度越来越快。其途径有两个：

一是提高器件的速度

二是采用并行处理

早期采用的 286、386 等型号的 CPU ，其主频只有几十 MHz，之后出现的奔腾系列 CPU 的主频可达到几 GHz 以上。由于 RISC 技术的成熟与普及，CPU 性能的年增长率由 20 世纪 80 年代的35% 提高到 90 年代的 60%。此外，器件速度还可通过研制新的器件（如生物器件、量子器件等）、采用纳米工艺、片上系统等技术提高几个数量级。

未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相互结合的产物。第一台超高速全光数字计算机已由英国、法国、德国、意大利和比利时等国家的 7 0多名科学家和工程师合作研制成功，光子计算机的运算速度比电子计算机快 1000 倍。2020 年 12 月 4 日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建 76 个光子的量子计算原型机 “九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需 200 秒，而目前世界最快的超级计算机要用 6 亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。在不久的将来，超导计算机、神经网络计算机等全新的计算机也会诞生。届时，计算机将发展到一个更高、更先进的水平。

“广”

第二个方向是向“广”度发展。

计算机发展的趋势就是无处不在，以至像“没有计算机一样”。近年来，更明显的趋势是网络化向各领域的渗透，即在广度上的发展开拓，国外称这种趋势为普适计算（Pervasive Computing）或“无处不在”的计算。未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中，如记事本、书籍都已电子化；学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机,所有的课程教材、辅导书、练习题都在其中，不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料。而且，这些计算机将与现在的手机合为一体，随时随地都可以上网,相互交流信息。未来的计算机会像纸张一样便宜，可以一次性使用。计算机将成为不被人注意的最常用的物品。可见，普适计算把计算和信息融入人们的生活空间，使我们生活的物理世界与信息空间中的虚拟世界融合为一个整体。人们生活在其中，可以随时、随地得到信息访问和计算服务,从根本上改变了人们对信息技术的思考,也改变了我们整个生活和工作的方式。普适计算涉及的技术包括移动通信技术、小型计算设备制造技术、小型计算设备上的操作系统技术及软件技术等。普适计算技术在现在的软件技术中将占据越来越重要的位置,其主要应用方向有嵌人式技术、网络连接技术、基于 Web 的软件服务构架。

Google 眼镜是 Google 公司于 2012 年 4 月发布的一款 “增强现实” 眼镜，具有与智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照、视频通话、辨明方向、上网、处理文字信息和电子邮件等。Google 眼镜于 2014 年 4 月15 日正式在网上限量发售。虽然 Google 眼镜尚有诸多问题，但必须承认，它开启了 “可穿戴计算机” 的时代。

“深”

第三个方向是向 “深” 度发展，即向信息的智能化发展。

网络上有大量的信息,怎样把这些浩如烟海的信息变成我们想要的知识，这是计算机科学要研究的重要课题。同时，人机界面应该更加友好，可以用自然语言与计算机打交道，也可以用手写的文字打交道,甚至可以用表情、手势来与计算机沟通,使人机交流更加方便快捷。电子计算机从诞生起就致力于模拟人类思维，希望计算机越来越聪明，不仅能做一些复杂的事情，而且能做一些需要“智慧”才能做的事，如推理、学习、联想等。“人工智能”自从 1956 年提出以来，计算机在智能化方向迈进的步伐不尽如人意。科学家多次关于人工智能的预期目标都没有实现，这说明探索人类智能的
本质是一件十分艰巨的任务。目前计算机的“思维”方式与人类的思维方式有很大区别，人机之间的间隔还不小。人类还很难以自然的方式，如语言、手势、表情,与计算机打交道，计算机的易用性已成为阻碍计算机进一步普及的巨大障碍。随着 Intermet 的普及，普通用户使用计算机的需求日益增长,这种强烈需求将大大促进计算机智能化方向的研究。近年来，计算机识文字（包括印刷体、手写体）和口语的技术已有较大提高，初步达到商业化水平，手势（特别是哑语手势）和脸部表情识别也已取得较大进展。使沉浸在计算机世界的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是近年来发展较快的技术，未来将发展更加迅速。

20 世纪 80 年代就提出了第五代计算机的概念，用超大规模集成电路和其他新型物理元件组成的可以把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起构成的智能计算机系统。第五代计算机能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，并能直接处理声音、文字、图像等信息。已经投入研究的有量子计算机、光子计算机、纳米计算机、生物计算机、神经计算机等。

量子计算机

量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。量子计算机是一种基于量子力学原理（而非传统计算机的经典物理原理）进行信息处理的颠覆性计算设备。它通过操控 “量子比特”（Qubit）而非传统的 “经典比特”（Bit），实现了对复杂问题的高效求解，尤其在密码破解、材料科学、药物研发等领域具备传统计算机无法比拟的潜力。、

量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称为量子超态。原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机 0 和 1 完全吻合。量子计算机将处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，运算速度远超奔腾 4 芯片的 10 亿倍。量子计算机处理数据时不是分布进行而是同时完成。

光子计算机

光子计算机是一种以光子（光的基本粒子） 作为信息载体，通过光学元件（如激光器、调制器、光开关、探测器）实现信息传输、处理与存储的新型计算设备。它区别于传统电子计算机（依赖电子在电路中运动）和量子计算机（依赖量子比特的叠加与纠缠），核心优势源于 “光” 的物理特性 —— 超高速度、超低损耗、天然并行，在特定场景下展现出超越电子计算机的潜力。

1990 年年初，美国贝尔实验室研制成世界上第一台光子计算机。光子计算机是由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机；主要由集成光路、激光器、透镜和核镜组成。

纳米计算机

纳米计算机是指物理尺寸处于纳米级（1-100 纳米），且核心元件（如处理器、存储器）基于 “纳米材料” 或 “纳米制造技术” 构建的新型计算设备。它并非单一技术路线的统称，而是涵盖了 “从元件尺度到体系架构” 的全方位创新 —— 其本质是通过 “缩小计算单元尺寸”（从传统微米级降至纳米级），突破传统电子计算机的物理极限（如摩尔定律瓶颈），实现更高集成度、更低功耗、更快速度的计算。

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

生物计算机

生物计算机是一种基于生物学原理设计的计算机。它借鉴了生物体内信息处理的方式，利用生物分子（如 DNA、蛋白质等）作为计算基本元素，通过生物化学反应实现信息的存储、传递和处理。

生物计算机是一种有知识、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，能够使人机通过自然语言直接对话，可以利用已有和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，且得出结论，能够解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。

神经计算机

神经计算机是一种以人类大脑神经系统为设计原型，通过模拟神经元、突触的连接方式与信息处理机制，实现 “类脑智能” 的新型计算设备。它区别于传统冯・诺依曼架构计算机（存储与计算分离、指令驱动），核心特征是 “并行分布式处理”“自学习与自适应”，旨在突破传统 AI 的 “数据依赖” 和 “算力瓶颈”，实现更接近人类大脑的高效、节能、灵活的信息处理。

神经计算机，是模仿人的大脑的判断能力和适应能力，并且具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。和以逻辑处理为主的计算机不同，本身可以判断对象的性质与状态，且能采取相应的行动，同时并行处理实时变化的大量数据，且得出结论，神经计算机将类似人脑的智慧和灵活性。
 

注：有不当之处，请批评指正！谢谢~

在人类文明发展的历史上中国曾经在早期计算工具的发明创造方面书写过光辉的一页。远在商代，中国就创造了十进制计数方法，领先于世界千余年。到了周代，发明了当时最先进的计算工具——算筹。这是一种用竹、木、金属或骨制成的颜色不同的小棍。计算每一个数学问题时，通常编出一套歌诀形式的算法，一边计算，一边不断地重新布棍。中国古代数学家祖冲之，就是用算筹计算出圆周率在 3.01415926 和 3.1415927 之间，这一结果比西方早一千年。

算盘是中国的又一独创，也是计算工具发展史上的第一项重大发明。这种轻巧灵活、携带方便、与人民生活关系密切的计算工具，最初大约出现于汉朝，到元朝时渐趋成熟，在计算机已被普遍使用的今天，古老的算盘不仅没有被废弃，反而因他的灵便、准确等优点，在许多国家方兴未艾。联合国教科文组织正式认定珠算成为人类非物质文化遗产。

西方最早的计算工具是由英国人冈特在 1921 年发明的计算尺。不过在他之前达•芬奇已经在手稿中提出了计算工具的设想，并做出了关于机械式计算工具设计方案的记录。

什么是计算机

计算机（Computer）俗称电脑，包括主机电脑、便携式计算机（笔记本电脑）。计算机是20世纪最伟大的科学技术发明之一。计算机是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的一种现代化智能电子设备，由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机成为裸机。计算机一般分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机和嵌入式计算机五类，较为先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。

计算机发展

“四代”计算机

1946年6月，美籍数学家 冯•诺伊曼（Von Neumann）提出一个利用“二进制”数进行“存储程序”的计算机设计方案。这个方案确定：以二进制形式表示数据和指令；指令和数据同时存放在存储器中；计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。奠基了计算机的结构理论体系。 

自问世以来，以构成计算机硬件的逻辑组件为标志，计算机发展大致经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模和超大规模集成电路计算机等四个发展阶段，通常称为 “四代” 计算机。

四代计算机简要

	第一代 （1946—1957 年）	第二代 （1957—1964 年）	第三代 （1964—1972 年）	第四代        （1972 年至今）
逻辑元件	电子管	晶体管	中小规模集成电路	大规模和超大规模集成电路
存储器	延迟线、磁鼓、磁芯	磁芯、磁带、磁盘	磁芯、磁带、磁盘	磁盘、光盘、半导体
典型机器	IBM-701         IBM-650	IBM-7090         IBM-7094	IBM-370（大型）    IBM-360（中型）    PDP-11（小型）	ILLIAC-IV（巨型）        IBM-3033（大型）        VAX-11（小型）        80486（微型）        8098（单片机）
软件	机器语言          汇编语言	高级语言          管理程序	结构化程序设计          操作系统	数据库，软件工程         程序设计自动化
应用	科学计算	数据处理          工业控制          科学计算	系统模拟、系统设计、大型科学计算、科技工程各领域	事务处理、智能模拟、大型科学计算、普及到社会生活各方面

1.第一阶段：电子管数字计算机（1946年——1958年）

从硬件方面，逻辑元件采用真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。软件方面采用机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主。特点：体积大、功耗高、可靠性差、速度慢（一般为每秒数千次至万次）、价格昂贵。但为后来计算机发展奠定了基础。

2. 第二阶段：晶体管数字计算机（1958年——1964年）

硬件方面，逻辑元件采用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。软件方面出现了以批处理为主的操作系统、高级语言及编译程序。应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点：体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。

3.第三阶段：集成电路数字计算机（1964年——1970年）

硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI)，为主存储器仍采用磁芯。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点：速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。

4.第四阶段：大规模集成电路计算机（1970年至今）

硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI、VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。特点：1971年世界第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代，应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

自第四代计算机以来，计算机的硬件和软件技术都获得了惊人的发展。计算机系统向微型化、巨型化、网络化和智能化的方向发展，计算机系统软件的功能日趋完善，规模越来越大，应用软件的开发日趋简便。多媒体技术的兴起引发了计算机应用领域的革命，人们利用声音、符号、图形、图像技术即可开发计算机的应用。在网络技术的支持下,信息表达工具(电话、电视、终端)、信息处理工具(计算机)和信息传输工具(有线通信、无线通信及卫星通信)已趋于一体化，为人类方便地处理信息开辟了更广阔的前景。下面分别介绍计算机在上述各方面的发展概况。

现代计算机的主要类型

发展方向

计算机出现至今，经历了机器语言、程序语言、简单操作系统和 Linux、Macos、BSD、Windows等现代操作系统四代，运行速度得到大幅提升，第四代计算机的运算速度已经达到每秒几十亿次。计算机也由原来的仅供军事科研使用发展到人人拥有，计算机强大的应用功能，产生巨大市场需求，未来计算机性能应向着微型化、网络化、智能化和巨型化的方向发展。

①巨型化。

巨型化是指为了适应尖端科学技术的需要，发展高速度，大存储容量和功能强大的超级计算机。随着人们对计算机的依赖性越来越强，特别是在军事和科研教育方面对计算机的存储空间和运行速度的要求会越来越高。此外计算机的功能更加多元化。

②微型化。

随着微型处理器（CPU）的产生，计算机中开始使用微型处理器，使计算机体积缩小了，成本降低了。另一方面，软件行业的飞速发展提高了计算机内部操作系统的便捷度，计算机外部设备的趋于完善。计算机理论和技术上的不断完善，促使微型计算机很快渗透到全社会的各个行业和部门中，并成为人们生活和学习的必需品。近40年来，计算机的体积不断缩小，台式电脑、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑体积逐步微型化，为人们提供便捷的服务。因此未来计算机仍会不断趋于微型化，体积将越来越小。

③网络化。

互联网将世界各地的计算机连接在一起，从此进入了互联网时代。计算机网络化彻底改变了人类世界，人们通过互联网进行沟通、交流（QICQ、微博等），教育资源共享（文献查阅、远程教育等）、信息查阅共享（百度、Google）等，特别是无线网络的出现，极大的提高了人们使用网络的便捷性，未来计算机将会进一步向网络化方面发展。 

④人工智能化。

计算机人工智能化是未来发展的必然趋势。现代计算机具有强大的功能和运行速度，但与人脑相比，其智能化和逻辑能力仍有待提高。人类在不断探索如何让计算机能够更好的反映人类思维，使计算机能够具有人类的逻辑思维判断能力。可以通过思考与人类沟通交流，抛弃以往的通过编码程序。来运行计算机的方法，直接对计算机发出指令。

⑤多媒体化。

传统的计算机处理的信息主要是字符和数字。事实上人们更习惯的是图片、文字、声音、影像等多种形式的多媒体信息。多媒体技术可以及图形、图像、音频、视频、文字为一体。使信息处理的对象和内容更加推进真实世界。

计算机类别

通常人们“分代”表示计算机在纵向的历史中的发展情况，用“分类”表示计算机在横向的地域上的发展、分布和使用情况。我国（中国）计算机界通常把计算机分为：巨、大、中、小、微5个类别。国内外多数书刊也采用国际通用的分类方法，根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）1989年提出的标准来划分，将计算机分成巨型机、小巨型机、大型主机、小型主机、工作站和个人计算机等6类。

①巨型机（Supercomputer）。

巨型机也称为超级计算机，在所有计算机类型中占地最大，价格最贵，功能最强，其浮点运算速度最快（1998年达到3.9TELOPS），即每秒3.9万亿次，只有少数国家的几家公司能够生产。多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、中长期天气预报以及社会模拟等领域。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度，成为衡量一个国家经济实力和科技水平重要标志。

②小巨型机（Minisupercomputer）。

小型超级电脑或称桌上型超级计算机，出现在20世纪80年代中期，功能低于巨型机，速度达到1TELOPS，即每秒10亿次，价格只有巨型机的十分之一。

③大型主机（Mainframe）。

大型机或称作大型电脑，覆盖国内通常说的大、中型机。特点：大型、通用，征集处理速度高达300~750 MIPS，具有很强的处理和管理能力，主要用于大银行、大公司、规模较大的高效和科研院所。

④小型主机（Minicomputer，or：Minis）。

小巨型机结构简单，可靠性高，成本较低，不需要经过长期培训即可维护和使用，对于广大的中小用户较为适用。

⑤工作站（Workstation）。

介于PC 和小型机之间的一种高档微机（是机器而不是地方），运算速度快，具有较强的联网的功能，用于特殊领域，如图像处理、计算机辅助设计等。他与网络系统中的“工作站”，在用词上相同，含义不同。网络上的“工作站”泛指联网用户的结点，以区别网络服务器，常由一般PC 充当。

⑥个人计算机（Personal Computer）。

通常所说的电脑、微机或计算机，一般指PC。出现在20世纪70年代，以设计先进（总是率先采用高性能的微处理器MPU）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势拥有广大用户，因此推动计算机的普及应用。PC 的主流公司IBM 在1981年推出的PC 系列以及其众多的兼容机。PC包括台式机、膝上型、笔记本、掌上机、手表型等多种类型。

三类计算机主要发展

在我国，计算机技术的发展深刻地影响着人们生产和生活。特别是随着微型处理器结构的微型化，计算机从之前的应用于国防军事领域开始向社会各个行业发展，如教育系统、商业领域、家庭生活等。

世界第一个微处理器芯片是 1971 年 11 月，英特尔公司的 特德 • 霍夫（Ted Hoff）设计的 Intel 4004。Intel 4004 CPU 使用 8 位指令处理4位数据，指令和数据是分开的，分别有 4096 个 4 位宽的指令存储单元和 1KB 4 位宽的数据存储单元，最大寻址范围是：640 字节。Intel 4004 CPU 有 46 条指令，工作时钟为：108kHz，核心大小为 3 X 4mm，有 2250 个晶体管，晶体管的线宽为 10 μm，每秒运算 6 万次。

在微处理器外，加上随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、I/O、总线接口，就可以构成微型计算机（简称微机）。最早的微型计算机诞生于 20 世纪 70 年代，APPLE Ⅱ 型和中华学习机就是其中的典型代表。目前国内市场上主流产品时 PC 系列微型计算机，起源于 IBM 公司于 1980 年推出 IBM PC ，以及随后推出的 IBM PC/XT 和 IBM PC/AT。

由于 IBM 公司生产的 PC 机采用了“开放式体系结构”，并且公开了其技术资料，因此其他公司先后为 IBM 系列 PC 机推出了不同版本的系统软件和丰富多样的应用软件，以及硬件配套产品。有些公司又推出与 IBM 系列 PC 机相兼容的各种兼容机，从而促使 IBM 系列的 PC 机迅速发展，并成为 20 世纪微型计算机中的主流产品。现在的 PC 机采用模块化的标准插卡结构，可以方便地从市场上买到所有配件，根据需要自己组装一台任意档次的微型计算机。导致微型计算机市场竞争激烈，品种繁多，同时价格迅速下降，在一定程度上对微型计算机的大量普及和应用起到了积极作用。在 IBM 首创的台式 PC 基础上，便携式笔记本计算机、平板式计算机也不断发展，大有取代台式计算机的趋势。同时随着互联网络的告诉发展，也使微型计算机朝着小型化、便携化、互联网化的方向迅猛发展和普及。

1.微型计算机

随着微电子技术的发展，一台计算机的各组成部分甚至整台计算机都可集成在一片大规模或超大规模集成电路芯片上,这就出现了以微处理器为核心的微型计算机,简称微型机或微机。自 1971 年美国 Intel 公司推出第一台微处理器 Intel 4004 以来，微型计算机的发展大致经历了五个阶段。

（1）第一阶段（1971-1973 年）

该阶段的典型微处理器有 Intel 4004、Intel 8008，数据线为 4~8 位，地址线为 4~8 条。由这些微处理器所组成的微型计算机比较简单，指令系统不完整，只支持汇编语言，无操作系统，主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。其芯片采用 PMOS 工艺,速度较慢。

（2）第二阶段（1974-1977 年)

该阶段具有代表性的微处理器有 Intel 8080、Intel 8085、M6800、Z80 等，数据线为 8 位，地址线为 16 条。由这些微处理器所组成的微型计算机已有较完整的指令系统，并配有简单的磁盘操作系统（如CPM），支持高级编程语言，有较强的功能，出现了个人计算机（Personal Computer，PC）。其芯片采用 NMOS 工艺，速度较快。

（3）第三阶段（1978-1981 年)

该阶段典型的微处理器有 Intel 8086,MC68000,Z8000等,数据线为16位,地址线有20-24条。由这些微处理器所组成的微型计算机已吸收传统小型计算机甚至大型计算机的设计思想,如虚拟存储和存储保护等,已具备较完善的操作系统、高级语言、工具软件和应用软件,出现了多用户微型计算机系统及多处理机微型计算机系统。

（4）第四阶段（20 世纪 80 年代初期至中期)

该阶段的代表性微处理器有 Intel 80x86（如 80286，80386，80486)，数据线为 16~32 位，地址线为 24~32 条。由这些微处理器所组成的微型计算机在芯片、操作系统及总线结构等方面完全开放，实际上已形成国际性的微型机工业生产的主要标准，是微型机发展的里程碑。该阶段的微型机已具有菜单式选择功能及图形用户界面，推动了微型机应用的飞速发展。

（5）第五阶段（20 世纪 80 年代中后期开始)

该阶段的典型微处理器有 PentiumI-Pentium IV、SPARC,Power60x 等，数据线为 64 位，地址线为 32 条。这些微处理器采用了精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC)技术，使微处理器的体系结构发生了重大变革。由 Intel 80x86 发展而来的 Pentium 微处理器尽管是复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC)，但采用了大量 RISC 技术，指令执行时间大大缩短。RISC 微处理器（如 SPARC、Power60x）的推出使微型机的运算速度提高到几亿次每秒。RISC 技术使微型机、小型机和大型机的界限越来越模糊。

微型计算机按组装形式可分为便携式和非便携式两类，前者如笔记本电脑，后者如常见的台式微型机。根据微型计算机是否由最终用户使用，微型机可以分为独立式微型计算机和嵌人式微型计算机。前者可供最终用户直接使用，最常见的是个人计算机。后者则作为信息处理部件被装入应用设备，最终用户使用的是该设备，如医疗设备、高级录像机、家电产品等，嵌入式微型机一般是单片机或单板机。

人们不断研究集成电路的制造工艺，从光刻技术、微刻技术到现在的纳刻技术，使得集成电路的规模越来越大，形成了超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）。集成电路的发展就像 Intel 创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）预言的一样：“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目大约每隔18个月增加1倍,性能也将提升1倍”（称为摩尔定律）。例如，苹果的 A14 芯片有 125~150 亿个晶体管。但是由于芯片技术的快速发展，摩尔定律受到了一定挑战，主要是随着更多晶体管被装人芯片，出现了电子能量外泄和热量散发的现象。

在 1995 年美国芝加哥举行的信息技术国际研讨会上，美国科学家杰克·基尔比博士就表示，5nm 处理器的出现或将终结摩尔定律。作为世界的芯片巨头，台积电（TSMC）在 2020 世界半导体大会上表示，台积电的 5nm 产品已经进入批量生产阶段，3nm 产品预计在 2022 年进人大批量生产阶段。

科学家还在不断进行新形式的元器件研究，他们发现蛋白质具有 0、1 控制的特性，它能否被用于制作芯片呢？这种生物芯片在解决一些复杂的计算时是否会有与人一样的计算模式呢？目前，生物芯片方面已经取得不少的成果,其应用价值有待进一步开发。

2.巨型计算机

尖端科学技术的发展要求具有超高速、超大容量和高可靠性的计算机，以满足大量复杂的高精度数据计算和处理的要求，这就促进了巨型计算机（Super Computer）的发展。早期典型的巨型计算机如美国的 ILLIAC-IV 型计算机（运算速度为每秒 1.5 亿次）、CRAY-1 型计算机（运算速度为每秒 1 亿次）。

中国于 1983 年研制成功 “银河” 计算机，其运算速度超过 1 亿次每秒。1994 年初，研制成功 “曙光一号” 并行计算机，其定点运算速度可达 6.4 亿次每秒。2002年8月公布的联想深腾1800,其运算速度实测为每秒 1.027 万亿次（浮点运算），这些都标志着中国已跻身世界巨型计算机的先进行列。中国自主研制的“神威·太湖之光”超级计算机（2016 年问世）连续四次雄踞“全球超级计算机500 强”榜首、连续两次摘得高性能计算应用领域最高荣誉“戈登·贝尔奖”。“神威·太湖之光”安装了 40960 个中国自主研发的“申威 26010 ”众核处理器,该众核处理器采用 64 位自主申威指令系统，峰值性能为每秒 12.54 京次（1 亿亿为 1 京），持续性能为每秒 9.3 京次。它 1 分钟的计算能力需要全球 72 亿人同时用计算器不间断计算 32 年。2020 年 7 月，中国科学技术大学在“神威·太湖之光”上首次实现千万核心并行第一性原理计算模拟。2020 年 6 月，超级计算机 500 强第一名为日本的富岳（Fugaku），运行速度为每秒 41.553 京次，峰值浮点性能高达 51.3 京次，基于富士通 48 核 A64FX 系统芯片能够运行 158976 个独立 CPU，为第一台运行在 ARM 架构处理器上的超级计算机。

超高速的运算能力已成为巨型机的主要指标,而传统的结构单靠提高电子器件的速度已无法实现上亿次的运算。为此，必须从计算机的系统结构上进行改革，这就出现了巨型机所特有的结构形式，如用多个 CPU 构成一个计算机系统,这就需要研究多 CPU 协同工作的分布式计算、并行计算及多种体系结构等技术。

发展高速度、大容量、功能强大的超级计算机，对于进行科学研究、保卫国家安全、提高经济竞争力具有非常重要的意义。气象预报、航天工程、石油勘测、人类遗传基因检测、机械仿真等现代科学技术，以及先进武器的研发、军事作战的谋划和执行、图像处理及密码破译等，都离不开高性能计算机。研制超级计算机的技术水平体现了一个国家的综合国力,已成为各国在高技术领域的竞争热点。

3.人工智能与第五代计算机

人工智能（Artificial Inteligence，AI）是研究如何用人工的方法和技术来模仿、延伸和扩展人的智能，以实现某些“机器思维”或脑力劳动自动化的一门学科。例如，应用人工智能的方法和技术，设计和研制各种计算机的“机器专家”系统，可以模仿名行各业的专家,去从事医疗诊断、质谱分析、矿床探查、数学证明和管理决策等脑力劳动工作，完成某些需要人的智能、专门知识和经验技巧的任务。为了使机器具有类似人的智能,需要解决下列三方面的问题。

①机器感知知识获取：

研究机器如何直接或间接获取知识及如何输人自然信息（文字、图像、声音、语言、物景）等工程技术方法。

②机器思维知识处理：

研究在机器中如何表示知识和存储知识,如何进行知识推理和问题求解等工程技术方法。

③机器行为知识运用：

研究如何运用机器所获取的知识,通过知识信息处理,做出反应，付诸行动，以及各种智能机器和智能系统的设计方法和工程实现技术。

“人工智能” 术语是 1956 年在美国召开的 “关于用机器模拟智能” 的学术讨论会上首次正式采用的，标志着人工智能学科的诞生。1969 年，国际人工智能联合会（IJCAI）成立，并决定每两年召开一次国际人工智能学术会议。此后，美、日等国家对人工智能的学科体系实用技术开展了广泛的研究,出现了多种实用的人工智能专家系统,如化学专家系统 DENDRAL、医学专家系统 MYCIN、探矿专家系统 PROSPECTOR等。1981 年，在日本举行了 “第五代计算机” 国际学术会议，为期十（1982-1991 年）的 “知识信息处理系统（KIPS）” 开始研制。日本政府为了实现这一宏伟目标筹资 1000 亿日元，专门成立了 “新一代计算机技术研究所”（Institute for New Generation Computer Technology，ICOT）。

KIPS（Knowledge Information Processing System，知识信息处理系统）就是人们通常所说的第五代计算机系统（Fifth Generation Computer System，FGCS），又称为智能计算机，由下列
各部分组成：

①知识库（Knowledge Bank，KB）、知识库计算机（Knowledge Bank Machine，KBM）和知识库管理系统（Knowledge Bank Management System，KBMS）。

②问题求解和推理机。

③智能接口系统。

④应用系统。

第五代计算机系统要达到的目标是：

①用自然语言、图形、图像和文件进行输人/输出。

②用自然语言进行对话的信息处理方式,为外行使用计算机提供方便。

③能处理和保存知识,以供使用;配备各种知识数据库,起顾问作用。

④能够自学习和推理,帮助人类扩展自己的才能。

由以上可知,第五代计算机与传统计算机的主要差别在于：

①处理的“信息”是“知识”，而不是“数据”。

②“信息”的传输是知识的传输，而不是字符串的传输。

③“信息”的处理是对问题的求解和推理，而不是按既定进程进行计算。

④“信息”的管理是知识的获取和利用，而不是数据收集、积累和检索。

日本的第五代计算机系统研制于 1992 年结束，虽然并未达到预定的目标，但在智能计算机领域中完成了大量的基础研究工作。第五代计算机的研制激起了人工智能热潮，美、英、法等国家（或地区）相继制定对策和发展战略，如美国国防部的第五代计算机计划、英国的“呵尔维”计划、法国的“尤利卡”计划等。关于人工智能和新一代计算机的研究、开发和应用已列入许多国家发展战略的议事日程,成为科技发展规划的重要组成部分。

人工智能的实现离我们尚远，但其研究成果已显现出来。几个典型的智能计算的成果是：1997年，IBM 的 “深蓝” 计算机以 3.5 ：2.5 的比分战胜了国际象棋特级大师卡斯帕罗夫。2003年，“小深” 替换上场，以 3 ：3 的比分 “握手言和” 。2011 年，IBM 的“沃森”计算机在美国的一次智力竞猜电视节目中，成功击败该节目历史上两位最成功的人类选手，能够理解人类主持人以英语提出的如“哪位酒店大享的肘子戳坏了他自己的毕加索的画，之前这幅画值 139 亿美元，之后只值 8500 万美元”等抽象的问题。2016 年 3 月，阿尔法围棋（AlphaGo）与围棋世界冠军、职业九段棋手李世石进行围棋人机大战,以 4：1的总比分获胜。2016 年年末至 2017 年年初，该程序在中国棋类网站上以“大师” （Master）为注册账号与中日韩数十位围棋高手进行快棋对决，连续60局无一败绩。2017 年 5 月，在中国乌镇围棋峰会上，它与排名世界第一的世界围棋冠军柯洁对战，以  3 ：0 的总比分获胜。围棋界公认，阿尔法围棋的棋力已经超过人类职业围棋顶尖水平，在 GoRatings 网站公布的世界职业围棋排名中，其等级分曾超过当时排名人类第一的棋手柯洁。

大家都用过搜索引擎（如“百度”或“谷歌”）来进行搜索，输人我们想要的特征关键字后，它的检索结果是否是我们想要的呢？从第一天使用开始，到今天为止，你是否发现它的检索结果越来越符合我们的期望？这是否有智能计算的影子呢？另一个智能计算的例子就是模式识别：指纹识別技术已经得劉广泛应用。机器翻译方面也取得了一些进展，计算机辅助鄱译极大提高了翻译效率。在输人方面，手写输人技术已经在手机上得到应用。语音输人也在不断完善中。这一切都在向智能人机交互方向发展，即让计算机能够听懂人类的语言，看懺人类的支信，能够像人类一样具有自我学习与揭高的能力，能够吸收不同的知识并灵活运用知识，能够进行如人类一样的思维和推理。

我国计算机的发展

华罗庚教授是我国计算技术的奠基人和主要的开拓者之一。1947-1948 年，华罗庚在美国普林斯顿高级研究院担任访问研究院时，冯 • 诺依曼正在设计世界上第一台存储程序的通用电子数字计算机。华罗庚参观了冯 • 诺依曼实验室，并同冯 • 诺依曼讨论有关学术问题。此时，华罗庚已经开始勾画中国电子计算机事业的蓝图。

1952 年在全国大学院系调整时，华罗庚从清华大学电机系物色了闵乃大、夏培肃和王传英三位科研人员在他所任所长的中国科学院数学所内建立了中国第一个电子计算机科研小组。1956 年，周总理亲自主持制定的 《十二年科学技术发展规划》中，就把计算机列为发展科学技术的重点之一，并在 1957 年筹建中国第一个计算机技术研究所。

1958 年，中科院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机 103 机（八一型），标志着我国第一台电子计算机的诞生。1965 年，中科院计算机所研制成功第一台大型晶体管计算机 109 乙，之后推出 109 丙机，该机在两弹试验中发挥了重要作用。

进入 20世纪 70 年代，中国对于超级计算机的需求日益激增，中长期天气预报、模拟风洞试验、三维地震数据处理，以致新武器的开发和航天事业都对计算能力提出了新的要求，为此中国开始了对超级计算机的研发。

1983 年 12 月 4 日研制成功银河一号超级计算机，在发展银河和曙光系列的同时，中国发现由于向量型计算机自身的缺陷很难继续发展，因此需要发展并行型计算机，于是中国开始研发神威超级计算机，并在神威超级计算机基础上研制了神威蓝光超级计算机。2002 年中国联想集团研发成功深腾 1800 型超级计算机，并开始发展沈腾系列超级计算机。

2010 年，中国第一次拥有两可全球最快的超级计算机“天河一号” 超级计算机，每秒超过 10 亿亿运算，而所用平台是 Intel 提供的大约 10 万颗 CPU。

2013 年国防科学技术大学研制的“天河二号”超级计算机系统，2013 年全球最快超级计算机。2015 年 4 月 9 日，美国商务部发布的一份公告，决定禁止向中国 4 家国家超级中心出售至强（XEON）芯片，这一决定是天河二号升级受到阻碍。

2016 年 6 月，中国已经研发出当时世界上最快的超级计算机“神威 • 太湖之光”，落户在无锡的中国国家超级计算机中心。

2017 年 6 月 20 日德国法兰克福国际超级计算机大会（ISC）公布了世界计算机 500 强榜单，中国最新的超级计算机神威太湖之光登顶，并且实现了其核心处理器的全国化。

计算机发展趋势

计算机科学的发展趋势可归纳 “高” “广” “深” 三个方向。

“高”

第一个方向是向 “高” 的方向发展。

要求计算机的性能越来越高，速度越来越快。其途径有两个：

一是提高器件的速度

二是采用并行处理

早期采用的 286、386 等型号的 CPU ，其主频只有几十 MHz，之后出现的奔腾系列 CPU 的主频可达到几 GHz 以上。由于 RISC 技术的成熟与普及，CPU 性能的年增长率由 20 世纪 80 年代的35% 提高到 90 年代的 60%。此外，器件速度还可通过研制新的器件（如生物器件、量子器件等）、采用纳米工艺、片上系统等技术提高几个数量级。

未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相互结合的产物。第一台超高速全光数字计算机已由英国、法国、德国、意大利和比利时等国家的 7 0多名科学家和工程师合作研制成功，光子计算机的运算速度比电子计算机快 1000 倍。2020 年 12 月 4 日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建 76 个光子的量子计算原型机 “九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需 200 秒，而目前世界最快的超级计算机要用 6 亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。在不久的将来，超导计算机、神经网络计算机等全新的计算机也会诞生。届时，计算机将发展到一个更高、更先进的水平。

“广”

第二个方向是向“广”度发展。

计算机发展的趋势就是无处不在，以至像“没有计算机一样”。近年来，更明显的趋势是网络化向各领域的渗透，即在广度上的发展开拓，国外称这种趋势为普适计算（Pervasive Computing）或“无处不在”的计算。未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中，如记事本、书籍都已电子化；学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机,所有的课程教材、辅导书、练习题都在其中，不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料。而且，这些计算机将与现在的手机合为一体，随时随地都可以上网,相互交流信息。未来的计算机会像纸张一样便宜，可以一次性使用。计算机将成为不被人注意的最常用的物品。可见，普适计算把计算和信息融入人们的生活空间，使我们生活的物理世界与信息空间中的虚拟世界融合为一个整体。人们生活在其中，可以随时、随地得到信息访问和计算服务,从根本上改变了人们对信息技术的思考,也改变了我们整个生活和工作的方式。普适计算涉及的技术包括移动通信技术、小型计算设备制造技术、小型计算设备上的操作系统技术及软件技术等。普适计算技术在现在的软件技术中将占据越来越重要的位置,其主要应用方向有嵌人式技术、网络连接技术、基于 Web 的软件服务构架。

Google 眼镜是 Google 公司于 2012 年 4 月发布的一款 “增强现实” 眼镜，具有与智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照、视频通话、辨明方向、上网、处理文字信息和电子邮件等。Google 眼镜于 2014 年 4 月15 日正式在网上限量发售。虽然 Google 眼镜尚有诸多问题，但必须承认，它开启了 “可穿戴计算机” 的时代。

“深”

第三个方向是向 “深” 度发展，即向信息的智能化发展。

网络上有大量的信息,怎样把这些浩如烟海的信息变成我们想要的知识，这是计算机科学要研究的重要课题。同时，人机界面应该更加友好，可以用自然语言与计算机打交道，也可以用手写的文字打交道,甚至可以用表情、手势来与计算机沟通,使人机交流更加方便快捷。电子计算机从诞生起就致力于模拟人类思维，希望计算机越来越聪明，不仅能做一些复杂的事情，而且能做一些需要“智慧”才能做的事，如推理、学习、联想等。“人工智能”自从 1956 年提出以来，计算机在智能化方向迈进的步伐不尽如人意。科学家多次关于人工智能的预期目标都没有实现，这说明探索人类智能的
本质是一件十分艰巨的任务。目前计算机的“思维”方式与人类的思维方式有很大区别，人机之间的间隔还不小。人类还很难以自然的方式，如语言、手势、表情,与计算机打交道，计算机的易用性已成为阻碍计算机进一步普及的巨大障碍。随着 Intermet 的普及，普通用户使用计算机的需求日益增长,这种强烈需求将大大促进计算机智能化方向的研究。近年来，计算机识文字（包括印刷体、手写体）和口语的技术已有较大提高，初步达到商业化水平，手势（特别是哑语手势）和脸部表情识别也已取得较大进展。使沉浸在计算机世界的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是近年来发展较快的技术，未来将发展更加迅速。

20 世纪 80 年代就提出了第五代计算机的概念，用超大规模集成电路和其他新型物理元件组成的可以把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起构成的智能计算机系统。第五代计算机能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，并能直接处理声音、文字、图像等信息。已经投入研究的有量子计算机、光子计算机、纳米计算机、生物计算机、神经计算机等。

量子计算机

量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机。量子计算机是一种基于量子力学原理（而非传统计算机的经典物理原理）进行信息处理的颠覆性计算设备。它通过操控 “量子比特”（Qubit）而非传统的 “经典比特”（Bit），实现了对复杂问题的高效求解，尤其在密码破解、材料科学、药物研发等领域具备传统计算机无法比拟的潜力。、

量子理论认为，非相互作用下，原子在任一时刻都处于两种状态，称为量子超态。原子会旋转，即同时沿上、下两个方向自旋，这正好与电子计算机 0 和 1 完全吻合。量子计算机将处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，运算速度远超奔腾 4 芯片的 10 亿倍。量子计算机处理数据时不是分布进行而是同时完成。

光子计算机

光子计算机是一种以光子（光的基本粒子） 作为信息载体，通过光学元件（如激光器、调制器、光开关、探测器）实现信息传输、处理与存储的新型计算设备。它区别于传统电子计算机（依赖电子在电路中运动）和量子计算机（依赖量子比特的叠加与纠缠），核心优势源于 “光” 的物理特性 —— 超高速度、超低损耗、天然并行，在特定场景下展现出超越电子计算机的潜力。

1990 年年初，美国贝尔实验室研制成世界上第一台光子计算机。光子计算机是由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机；主要由集成光路、激光器、透镜和核镜组成。

纳米计算机

纳米计算机是指物理尺寸处于纳米级（1-100 纳米），且核心元件（如处理器、存储器）基于 “纳米材料” 或 “纳米制造技术” 构建的新型计算设备。它并非单一技术路线的统称，而是涵盖了 “从元件尺度到体系架构” 的全方位创新 —— 其本质是通过 “缩小计算单元尺寸”（从传统微米级降至纳米级），突破传统电子计算机的物理极限（如摩尔定律瓶颈），实现更高集成度、更低功耗、更快速度的计算。

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。

生物计算机

生物计算机是一种基于生物学原理设计的计算机。它借鉴了生物体内信息处理的方式，利用生物分子（如 DNA、蛋白质等）作为计算基本元素，通过生物化学反应实现信息的存储、传递和处理。

生物计算机是一种有知识、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，能够使人机通过自然语言直接对话，可以利用已有和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，且得出结论，能够解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。

神经计算机

神经计算机是一种以人类大脑神经系统为设计原型，通过模拟神经元、突触的连接方式与信息处理机制，实现 “类脑智能” 的新型计算设备。它区别于传统冯・诺依曼架构计算机（存储与计算分离、指令驱动），核心特征是 “并行分布式处理”“自学习与自适应”，旨在突破传统 AI 的 “数据依赖” 和 “算力瓶颈”，实现更接近人类大脑的高效、节能、灵活的信息处理。

神经计算机，是模仿人的大脑的判断能力和适应能力，并且具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。和以逻辑处理为主的计算机不同，本身可以判断对象的性质与状态，且能采取相应的行动，同时并行处理实时变化的大量数据，且得出结论，神经计算机将类似人脑的智慧和灵活性。
 

注：有不当之处，请批评指正！谢谢~

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