计算机的发展（计算机的产生和发展！） 计算机的产生和发展 第一代电子管计算机 ENIAC(Elecitric Numeric integrator and computer)即电子数字积分计算机，由科学家约翰·冯·诺依曼和＂莫尔小组＂的工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦研制而成。其历史背景是发生在二战后期（1943～1946年），当时，飞机和大炮是作为战略武器，为研制和开发新型大炮和导弹，美国陆军军械部在马里兰州的阿伯丁设立了＂弹道研究实验室＂，美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张射表以便对导弹的研制进行技术鉴定，而每张射表都要计算几百条弹道，每条弹道的数学模型是一组非常复杂的非线性方程组。这些方程组是没有办法求出准确解的，因此只能用数值方法近似地进行计算，即使用数值方法近似求解，雇佣200多名计算员加班加点工作也大约需要二个多月的时间才能算完一张射表，武器研制需要射表尽快算出来，于是，电子计算机的设想由此诞生。 从1943年，提出电子计算机的设想，到1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，历时3年多，这标志计算工具进入了一个崭新的时代，也推动人类文明从工业化社会发展为信息化社会，它的出现具有划时代的意义。 众所周知，这台计算机是非常庞大的，其占地面积达约170平方米，30个操作台，重达30英吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。同时，编制程序的方式是通过手工搬动开关和插拔电缆，如上图所示，一方面，电子计算机具有高速的运算速率和精准的运算结果，这种特性极其具有商业价值，以此为契机，在20世纪50年代，Sperry和IBM两大制造计算机的公司相继成立；而另一方面，如此高的制造成本，和庞大而笨重的设备又不利于大规模生产和民用。鉴于此，减小设备体积，降低设备制造成本成为了新一代计算机制造首先需要面临解决的问题，于1947年，贝尔实验室成功研制成了晶体管，其体积小、质量轻、功耗低，为这一问题的解决提供了硬件基础，于是，一场晶体管替代电子管的革命产生了。 第二代晶体管计算机 晶体管主要是用硅、锗等半导体材料，作为计算机的基本逻辑元器件被大量使用，与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，重量轻，速度快，逻辑运算功能强，可靠性大大提高。其应用从军事及尖端技术扩展到数据处理和工业控制方面，从诞生之初就表现出非常大的市场需求量和广阔的发展前景，以IBM 公司为首，相继研发了多种型号的晶体管计算机，如下表： 时间 公司或实验室 计算机 备注 1956年 贝尔实验室 Lepreachaun 世界上第一台全晶体管计算机 1958年 IBM RCA501型 IBM首台全部用晶体管计算机 1959年 IBM IBM7090 作为第二代电子计算机的典型代表，从1960年到1964年一直统治着科学计算的领域 1964年 中国 441-B 中国制成了第一台全晶体管电子计算机 随着新一代计算机的产生，计算机软件技术也飞速发展，表现为编程语言的发展，从机器语言到汇编语言，FORTRAN、CDBOL等高级语言也相继出现，操作系统也由此诞生，计算机朝着更加精细化，智能化，自动化的方向发展，随着1958年微电子学的深入研究，特别是新的光刻技术和设备的成熟，推动计算机进入了集成电路时代。 第三代集成电路计算机 1958年，美国德州仪器的工程师JackKilby发明了集成电路（IC），将电阻、电容、晶体管等结合到一片小小的硅片上。自此之后，IC的集成度以每3-4年提高一个数量级的速度增长，也就是著名的摩尔定律，由 Intel联合创始人戈登·摩尔提出，半导体工艺也是一直按照这个规律发展，以2年提升一倍的晶体管密度发展。 直到1999年，胡正明教授发明了鳍式场效晶体管 (FinFET)，该新型晶体管可以使1个电脑芯片的容量比从前提高400倍。而Intel在2012年正式量产了3D晶体管技术，首发的是22nm工艺，摩尔定律得以延续10年。 世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM360系统，由IBM公司在1964年研制成功。IBM360系列计算机是最早使用集成电路的通用计算机系列，它开创了民用计算机使用集成电路的先例，计算机从此进入了集成电路时代。与第二代计算机（晶体管计算机）相比，它体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。IBM360成为第三代计算机（集成电路计算机）的里程碑。 随着集成电路技术的发展及其推进作用，微处理器芯片和半导体存储芯片相继出现，微型计算机时代悄然来临。 微型计算机的出现和发展 1941年，美国Intel公司工程师霍夫研制成功了4位微处理器芯片4004，这是世界上第一个微处理器芯片，以此为开端，随后，8位、16位、32位和64位微处理器芯片都得以研制成功。到1970年，第一个半导体存储器芯片被Fair-child制作出来，从此，存储芯片的容量越来越大，经历了1k位、4K位、16K位、64K位、256K位、1M位、4M位、16M位、64M位、...、1G位等，其价格和访问时间也是不断下降。 得益于微处理器芯片和存储芯片，计算机体积变得更小、质量变得更轻、售价变得更低，微型计算机的普及率迅猛增长。 微型计算机系统从诞生至今一共经历了6个阶段，如下 阶段 俗称 典型代表第1代 （1971-1973） 4位和8位低档微处理器时代 Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机 第二代（1971-1977） 8位中高档微处理器时代 Intel8080/8085、Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80等 第三代（1978-1984） 16位微处理器时代 Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器 第四代（1985-1992） 32位微处理器时代 Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M69030/68040等第五代 （1993-2005） 奔腾（pentium）系列微处理器时代 Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片 第六代（2005-至今） 酷睿（core）系列微处理器时代 Intel公司发布的微处理架构Core 2 Duo、SNB(Sandy Bridge）及其处理器 由此可见，世界上第一大微处理器制造商Intel在推动计算机的发展可谓是起到中流砥柱的作用，事实上，微型计算机的发展很大程度上取决于微处理器的发展，而微处理器的发展又依赖于芯片集成度和处理器主频的发展，但是一味的提高芯片集成度直接导致的问题是处理器的功耗显著增大，同时，还会带来散热问题、线延迟问题、软误码率现象等多种问题，所以，计算机性能的每一次提高，都是一次莫大的挑战。 当然，推动计算机的发展不只是在芯片集成度上下功夫，还能从改善处理器的体系结构，优化计算机的组成，设计计算机软件算法等方面入手，比如开发指令级并行性、采用超标量结构、主存和处理器之间设置高速缓冲存储器并发展成片内Cache和分级Cache等。 总之，当前通用微处理器的发展重点将在以下几方面。 进一步提高复杂度来提高处理器性能。 通过线程/进程级并行性的开发提高处理器的性能，即通过开发线程级并行性或进程级并行性来提高性能，简化硬件设计。 将存储器集成到处理器芯片内来提高处理器性能。 发展嵌入式处理器。 计算机的应用 计算机的售价不断下降，使得计算机从实验室走出，渗透到了各个领域，乃至走到了千家万户，变得随处可见，随着新兴技术的产生及其与计算机的结合，使得计算机应用从科学计算、数据处理到办公自动化、多媒体、电子商务、虚拟工厂、远程教育等，现代计算机的主要应用如下表所示： 技术范畴 应用领域 应用举例 科学计算和数据处理 天文学、量子化学等学科和工程设计 天气预报、石油勘探等 工业控制和实时控制 冶金、机械、纺织、化工、电力、造纸等 导弹的发射、载人宇宙飞船等 网路技术的应用 电子商务、网络教育、敏捷制造等 虚拟商场、虚拟医院、虚拟图书馆等 虚拟现实 军事、航天、航空、娱乐、生活等 虚拟演播室、仿真模拟训练器（飞行仿真训练系统）等 办公自动化和管理信息系统 企业和个人办公 OA系统，用计算机安排日常的各类公务活动，包括会议、会客、外出购票等 CAD/CAM/CIMS 工业生产、机械、电子、航空、船舶、汽车、纺织、服装、化工、建筑等 CAD 工程制图等 多媒体技术 教育、工业、军事等 虚拟演播室、仿真模拟训练器（飞行仿真训练系统）等 人工智能 模式识别、语音识别、专家系统和机器人制造等 AI音箱，智能语音翻译机等 计算机的展望 科学家设想的超级智能计算机，其运算速度要求达到10的15次方每秒，存储容量至少为10的13次方字节，并且具备人脑的自组织、自适应、自联想、自修复的能力，几乎能融入人类社会所有的知识和信息了。 这种超级智能计算机的实现，首先要求提高处理器的主频，硅芯片微处理器的主频与其集成度有关，而芯片集成度的提高受制于以下三个方面 受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热和线延迟 超级智能计算机的实现迫切的需要找到硅芯片的替代者，科学家们从光学计算机，DNA生物计算机和量子计算机看到了希望。 光学晶体管庞大而笨重，用它制造成的光学计算机有汽车这么大，尚不能投入使用，DNA生物计算机由一堆装有有机液体的试管组成，也很笨重，难以实用，与前两者相比，量子计算机的前景尤为光明，极有可能会成为下一代新兴的计算机，让我们拭目以待吧
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