計(jì)算機(jī)的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)

【摘要】計(jì)算機(jī)已經(jīng)非常深入地存在于我們的工作和學(xué)習(xí)生活中，過(guò)去的計(jì)算機(jī)，體積大，價(jià)格貴，速度慢，無(wú)法做到普及，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，體積小，價(jià)格便宜，速度快，是我們工作生活?yuàn)蕵?lè)休閑的好幫手。未來(lái)的計(jì)算機(jī)，是我們難以想像的，分為超導(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)。特點(diǎn)是體積更小，速度卻快得無(wú)法形容。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)；過(guò)去；現(xiàn)在；未來(lái)

一、計(jì)算機(jī)的過(guò)去

（一）第一臺(tái)計(jì)算機(jī)

1946年2月14日，世界上第一臺(tái)電腦ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生。

二戰(zhàn)期間，出于戰(zhàn)爭(zhēng)上的考慮，美國(guó)軍方要求賓州大學(xué)莫奇來(lái)（Mauchly）博士和他的學(xué)生愛(ài)克特（Eckert）設(shè)計(jì)一種新型的計(jì)算工具，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)思路是以真空管取代繼電器，于是，世界上第一臺(tái)電腦ENIAC就誕生了。Eniac全稱(chēng)是Electronic Numerical Integrator and Calculator，即電子數(shù)字積分器與計(jì)算器），當(dāng)時(shí)的用途是用來(lái)計(jì)算炮彈彈道。這部計(jì)算機(jī)使用了18800個(gè)真空管，長(zhǎng)50英尺，寬30英尺，占地1500平方英尺，重達(dá)30噸它的計(jì)算速度在當(dāng)時(shí)，比任何計(jì)算工具都快，因?yàn)樗棵肟蛇M(jìn)行5000次加法運(yùn)算，400次乘法運(yùn)算，是手工計(jì)算速度的20萬(wàn)倍。從今天的角度看來(lái)，它是相當(dāng)?shù)图?jí)，相當(dāng)緩慢的，今天的任意一臺(tái)可編程掌上計(jì)算器都可以輕松打敗它，但當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，這算得上是一個(gè)偉大的發(fā)明，因?yàn)樗箍茖W(xué)家們從繁重的計(jì)算任務(wù)中解脫了出來(lái)，它的誕生，標(biāo)志著人類(lèi)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的信息時(shí)代。

（二）第一代計(jì)算機(jī)

第一代計(jì)算機(jī)采用真空管技術(shù)。它的特點(diǎn)是笨重，緩慢，無(wú)真正意義上的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件使用機(jī)器指令和匯編語(yǔ)言編制而成，存儲(chǔ)設(shè)備是汞延遲線。輸入、輸出設(shè)備是用穿孔卡片。

以“埃尼亞克”為代表，第一代計(jì)算機(jī)推向了市場(chǎng)。進(jìn)入了普通人的日常工作中，第一代計(jì)算機(jī)的發(fā)展的時(shí)間長(zhǎng)河中，美籍科學(xué)家馮·諾伊曼提出了著名的“程序存儲(chǔ)”的概念，這是一個(gè)偉大的發(fā)明，以后的計(jì)算機(jī)均使用了此概念來(lái)設(shè)計(jì)，它的設(shè)計(jì)思路是，把程序和數(shù)據(jù)送到內(nèi)存中，內(nèi)存有很多存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)，按順序排列，于是，數(shù)據(jù)就有了順序。然后，計(jì)算機(jī)按編號(hào)，一個(gè)編號(hào)一個(gè)編號(hào)的訪問(wèn)，執(zhí)行這些數(shù)據(jù)代表的指令。這樣，計(jì)算機(jī)就能自動(dòng)的，連續(xù)的工作了。

第一代電子計(jì)算機(jī)又稱(chēng)“電子管計(jì)算機(jī)”。這一代計(jì)算機(jī)，是以電子管作為主要電路元件的。時(shí)間劃分上，1946-1957年生產(chǎn)的電子計(jì)算機(jī)都是第一代電子計(jì)算機(jī)。

（三）第二代計(jì)算機(jī)

第二代電子計(jì)算機(jī)采用的元器件是晶體管。之前的元器件是電子管。電子管的缺點(diǎn)有很多。比如，體積大，速度慢，價(jià)格貴，不可靠，熱量多，這些問(wèn)題導(dǎo)致計(jì)算機(jī)發(fā)展受到諸多限制。于是，晶體管開(kāi)始被廣泛運(yùn)用。使用了晶體管以后，基本克服了以上缺點(diǎn)，于是，高速計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了。

在1954年，催迪克在美國(guó)誕生了，這是世界上第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)，是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功的，這臺(tái)計(jì)算機(jī)使用了800個(gè)晶體管。之后的一年中，美國(guó)在某種洲際導(dǎo)彈上裝備了以晶體管為主要元件的小型計(jì)算機(jī)。晶體管計(jì)算機(jī)開(kāi)始在不同領(lǐng)域中開(kāi)始運(yùn)用。

在1958年，第一臺(tái)全部使用晶體管的計(jì)算機(jī)在美國(guó)產(chǎn)生了。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的速度從最開(kāi)始的每秒幾千次提高到幾十萬(wàn)次。在后來(lái)的6年中，晶體管電子計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了大范圍的發(fā)展過(guò)程。以前是印刷電路板，后來(lái)是單元電路和隨機(jī)存儲(chǔ)器，以前是運(yùn)算理論，后來(lái)是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，努力的創(chuàng)新使晶體管計(jì)算機(jī)越來(lái)越優(yōu)秀。

（四）第三代計(jì)算機(jī)

第三代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展在1964-1971年。采用的元器件是中小規(guī)模集成電路板。這種集成電路板集成了1000個(gè)以內(nèi)的邏輯門(mén)。集成電路是美國(guó)德州的工程師ack Kilby發(fā)明的。他將三種電子元件集成在一小塊硅片上，更多的元件集成到某種半導(dǎo)體芯片上，這樣做出來(lái)的計(jì)算機(jī)就有了新的，更優(yōu)秀的特征，比如說(shuō)體積變得更小，運(yùn)算速度更快。能源消耗更小。這個(gè)時(shí)期，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)能夠使得計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行許多不同的程序。

第三代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾十萬(wàn)次至幾百萬(wàn)次。內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十萬(wàn)字節(jié)。在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展上，出現(xiàn)了面向人類(lèi)的高級(jí)語(yǔ)言。

（五）第四代計(jì)算機(jī)

在1966年和1967年，人們研制成功了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，這項(xiàng)技術(shù)被使用在了計(jì)算機(jī)的制造上。代表機(jī)型有日本富士通公司生產(chǎn)出M-190機(jī)和美國(guó)阿姆爾公司研制成470V/6型計(jì)算機(jī)。

以上就是計(jì)算機(jī)的過(guò)去。下面，我歸納了一下現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)。

二、現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)

現(xiàn)在（2000年以后）的計(jì)算機(jī)，速度越來(lái)越快，存儲(chǔ)器越來(lái)越大，功耗越來(lái)越小，外觀也越來(lái)越漂亮?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括：主板，CPU，內(nèi)存，顯卡，硬盤(pán)，顯示器，鍵盤(pán)，鼠標(biāo)。硬件的發(fā)展，尤其是CPU的發(fā)展，日新月異，CPU從486、586發(fā)展到奔3，奔4，再到如今的I3 I5 I7，運(yùn)算速度有了百倍千倍，萬(wàn)倍的提高，硬盤(pán)的容量從2000年的20G，發(fā)展到如今的3TB，內(nèi)存也從2000年的128M，發(fā)展到16G。

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件的發(fā)展，從win98發(fā)展到如今的win 10.而應(yīng)用軟件更是五花八門(mén)。有聊天通訊軟件，音樂(lè)播放軟件，圖像編輯軟件，下載軟件，娛樂(lè)休閑軟件，殺毒安全軟件等。功能越來(lái)越多，運(yùn)用越來(lái)越豐富多彩。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也已滲透到社會(huì)的各行各業(yè)，主要應(yīng)用領(lǐng)域如下： 1.科學(xué)計(jì)算；2.數(shù)據(jù)處理；3.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造；4.過(guò)程控制；5.人工智能；6.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

三、計(jì)算機(jī)的未來(lái)

（一）量子計(jì)算機(jī)

量子是一種神奇的物質(zhì)，而量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。原理是不確定原理、對(duì)應(yīng)原理和波爾理論等。全球首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)由谷歌公司研制，有可能在2017年上市。目前，中國(guó)量子計(jì)算機(jī)也已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，中國(guó)科技大學(xué)成功制造出了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)，量子芯片就是計(jì)算機(jī)的CPU，負(fù)責(zé)運(yùn)算的，量子儲(chǔ)存可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。量子計(jì)算機(jī)的處理速度有了顛覆性的提高，萬(wàn)倍億倍于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)。例如，算一個(gè)300位數(shù)的質(zhì)因數(shù)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)要算幾千年，而量子計(jì)算機(jī)很短的時(shí)間就可以完成。

（二）DNA計(jì)算機(jī)

DNA計(jì)算機(jī)是一種生物形式的計(jì)算機(jī)。它的主要元器件采用的是DNA（脫氧核糖核酸）。以有規(guī)律的DNA序列為運(yùn)算對(duì)象，通過(guò)分子生物學(xué)的運(yùn)算操作以解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。世界上第一臺(tái)DNA計(jì)算機(jī)誕生于1994年，發(fā)明人是萊昂那多.阿德萊曼，一般來(lái)看，一臺(tái)的DNA計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)的的數(shù)據(jù)是普通電腦的上億倍，而解決各種計(jì)算問(wèn)題所耗費(fèi)的時(shí)間僅為現(xiàn)今最厲害的超級(jí)計(jì)算機(jī)的幾分之一。所以，DNA計(jì)算機(jī)是我們這個(gè)時(shí)代最重要的新發(fā)明。

（三）光計(jì)算機(jī)

光計(jì)算機(jī)是由光子取代電子，實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。使用的元器件是光調(diào)制器，使用的技術(shù)包括光內(nèi)連技術(shù)，就是說(shuō)，在運(yùn)算部分與存儲(chǔ)部分之間進(jìn)行光的連接，運(yùn)算部分可直接對(duì)存儲(chǔ)部分進(jìn)行同時(shí)多線程存取。速度方面，大大超越了傳統(tǒng)的總線體系結(jié)構(gòu)。光計(jì)算機(jī)目前尚處于研制階段。

電子的傳播速度是593km每秒，光子的傳播速度卻能達(dá)到3×105km每秒。對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，電子是信息的載體，它是通過(guò)導(dǎo)線來(lái)傳導(dǎo)的，電子在導(dǎo)線中的運(yùn)行速度大不如光速，雖然目前電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不斷提高，但它的能力極限還是有一個(gè)度的。一旦光子計(jì)算機(jī)成功問(wèn)世，將會(huì)比現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000～10000倍。

光子計(jì)算機(jī)的研制已經(jīng)取得了令人喜悅的進(jìn)展，美國(guó)杜克大學(xué)的計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)制造出了能夠?qū)崿F(xiàn)超快速開(kāi)關(guān)的LED燈管，每秒鐘能夠開(kāi)關(guān)900億次。這樣的表現(xiàn)使它能夠取代之前的任何LED技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以構(gòu)成光子計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)。

雖然目前我們廣泛使用的還是電子計(jì)算機(jī)，但是從發(fā)展?jié)摿?lái)看，光子計(jì)算機(jī)比電子計(jì)算機(jī)的潛力大得多，在圖像處理、目標(biāo)識(shí)別和人工智能方面，光子計(jì)算機(jī)將來(lái)發(fā)揮的作用遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)大。

并行傳輸、超高速運(yùn)算、超大規(guī)模的存儲(chǔ)、消耗小、熱量低，這是光計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，在不久的將來(lái)，光計(jì)算機(jī)會(huì)成功出現(xiàn)，會(huì)從軍用走向民用，成為人們?nèi)粘Ｉ钪械牡昧χ帧?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]謝柏青.大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ).北京大學(xué)出版社2008

作者簡(jiǎn)介：

曾杰（1982-），男，實(shí)驗(yàn)師，湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)系，研究方向：計(jì)算機(jī)硬件。