1.4 计算工具与计算机

计算无处不在，计算工具是人们在计算或辅助计算时所用的器具。在浩瀚的历史长河中，计算工具经历了从简单到复杂、从低级到高级、从低速到高速、从功能单一到功能多样的过程。计算工具的发展以特有的方式体现了社会文明的进步和科学技术的飞速发展。当代的主流计算工具是计算机，计算机作为一种能自动、高速、精确地进行信息处理的电子设备，成为20世纪人类最伟大的发明之一。

1.4.1 计算机的产生

为了满足社会生产发展的需要，人类在不同的时期发明了各种计算工具。

在原始社会，人们曾使用树枝、石块等物品作为计数和计算的工具。至迟在商代时，人们已开始采用十进制计数法，该计数法对科学和文化的发展起着不可估量的作用。算筹法在春秋战国时期已有记载，算筹被普遍认为是人类最早的手动计算工具。南北朝时期的数学家祖冲之就是用算筹计算出圆周率在3.1415926和3.1415927之间，这一结果比西方早一千多年。在长期使用算筹的基础上，东汉时期，人们又发明了算盘。由于算盘制作简单，价格便宜，运算简便，珠算口诀便于记忆，所以被广泛使用，并且陆续流传到了日本、朝鲜、美国和东南亚等国家和地区。

随着经济、贸易事业的发展，以及金融业和航运业的日渐繁荣，需要大量复杂、繁重的计算，而且计算问题多与天文、航海有关，这就促进了计算工具的改革。1621年，英国数学家埃德蒙·冈特（Edmund Gunter）制造出第一把对数计算尺，给数的乘除计算带来了方便。同年，英国数学家威廉·奥特瑞德（William Oughtred）在冈特计算尺的基础上发明了直尺计算尺，如图1-5所示。1622年，奥特瑞德根据对数表设计了计算尺，可执行加、减、乘、除、开方、三角函数、指数函数和对数函数的运算。直到20世纪70年代，计算尺才被电子计算器取代。

生产的发展和科技的进步，继续推动着计算工具的发展。特别是齿轮传动装置技术的发展，为机械计算机的产生提供了必要的技术支持。1642年，法国数学家、物理学家布莱斯·帕斯卡（Blaise Pascal）研制出了世界上第一台机械式齿轮加法器，这是人类历史上第一台机械式计算工具，其原理对后来的计算工具产生了持久的影响。帕斯卡加法器是由齿轮组成、以发条为动力、通过转动齿轮来实现加减运算、用连杆实现进位的计算装置。1673年，德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfriend Leibniz）在帕斯卡研究的基础上增加了乘除法器，制成可以进行四则运算的机械式计算器，并可以实现重复做加减运算，这一实现思想也是现代计算机做乘除运算所采用的办法。但是，以上这些计算器都不具备自动进行计算的功能。

受法国工程师约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）发明的自动提花织布机的启发，英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）提出了带有程序控制的通用数字计算机的基本设计思想，并于1822年设计了第一台差分机。巴贝奇差分机使用十进制系统，采用齿轮结构，能够预先安排完成一系列算术运算。1834年，巴贝奇设计了分析机，它具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置，设想采用穿孔卡片来存储指令，并根据这些孔的特点来决定执行什么指令，进行自动运算，如图1-6所示。巴贝奇提出了几乎是完整的现代电子计算机的设计方案，但是因受当时技术和资金的限制而失败。随着19世纪中期精密机械制造技术和工艺水平的提高，电磁学等学科也得到飞速发展。美国人霍华德·艾肯（Howard Aiken）采用机电方法来实现巴贝奇分析机的想法，并在1944年成功制造了自动数字计算机MarkⅠ，使巴贝奇的设想变成现实。MarkⅠ作为世界上最早的通用型自动程序控制计算机之一，是计算机技术历史上的一个重大突破，如图1-7所示。

20世纪20年代以后，电子科学技术和电子工业迅速发展（如电子管、晶体管和集成电路相继诞生），为现代电子计算机的产生提供了物质基础和技术条件。

美国艾奥瓦州立大学的约翰·文森特·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）教授和他的研究生克里福特·贝瑞（Clifford Berry），于1942年10月研制成第一台完全采用真空管作为存储与运算器件的计算机——阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，ABC），如图1-8所示。ABC计算机被认为是最早的电子管计算机。阿塔纳索夫在研制ABC计算机的过程中提出计算机设计的三条原则：使用二进制来实现数字运算，以保证精度；利用电子元件和技术实现控制、逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；采用计算功能和存储功能相分离的结构。这三条原则对后来计算机的体系结构及逻辑设计产生了深远的影响。

任何事物的产生都是有起因的。同以往的许多重大发明一样，现代电子计算机的诞生同军事上的迫切需求紧密相连。第二次世界大战期间，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”，该实验室每天要为陆军提供6张火力表，每张表要计算几百条弹道轨迹。而当时一个熟练的计算人员用台式计算器计算一条60秒的弹道就需要20多个小时，还常常出现计算错误。更为关键的是，由于美军进入非洲作战，土质带来的差别导致炮弹根本打不中目标，所以军方领导人命令弹道实验室重新编制射击表。时任弹道实验室的领导人赫尔曼·戈德斯坦（Herman H.Goldstine）估算出，为某一型号、某一口径的火炮重新编制射击表，需要一个人用台式计算器不吃不喝4～5年才能完成。计算需求和计算能力之间的矛盾日益突出，作为数学家的戈德斯坦意识到研制一种高速新型计算机的迫切性。于是，在戈德斯坦的推动和组织下，陆军军械部着手与宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院联合开发电子计算机。1942年，莫尔学院的两位青年学者——36岁的副教授约翰·莫克利（John Mauchly）和24岁的工程师约翰·普雷斯伯·埃克特（John Presper Eckert）（见图1-9）提交了一份研制电子计算机的设计方案——高速电子管计算装置的使用。他们建议用电子管作为主要元件，制造一台前所未有的计算机，把弹道计算的效率提高成百上千倍。1943年7月，项目开始正式实施。莫尔学院组织了50名技术人员投入该项研究，莫克利作为顾问负责总体设计，埃克特担任总工程师。军方与莫尔学院签订的协议是提供14万美元的研制经费，但后来合同被修改了12次，经费一直追加到约48.68万美元，相当于现在的1000多万美元。

然而，为支援战争而赶制的机器没能在战争期间完成，直到1946年2月14日，这台标志着人类计算工具的历史性变革的电子计算机才研制成功，这台机器的名字叫ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator，电子数字积分计算机），如图1-10所示。ENIAC占地170m2，重30t，有18000个电子管，功率为150kW，运算速度为加法5000次/s或乘法400次/s。这比当时最快的继电器计算机的运算速度要快1000多倍。过去需要100多名工程师花费1年才能解决的计算问题，它只需要2个小时就能给出答案。

尽管ENIAC有许多不足之处，如使用十进制、不能存储程序、体积庞大、耗电量大、电子元件寿命短、故障率高、操作困难等，但它毕竟是世界上第一台真正意义上的数字电子计算机。ENIAC的问世具有划时代的意义，它揭开了现代计算机时代的序幕，标志着人类计算工具的历史性变革，为提高计算速度开辟了极为广阔的前景，也标志着人类文明的一个新起点。

1944年，美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）（见图1-11）参加的原子弹研制项目受阻，原因同样是遇到了极为困难的计算问题。诺依曼在一次偶然的机会中得知ENIAC的研制计划，便投身到这一宏伟的事业中。诺依曼与埃克特、莫克利等人讨论ENIAC的不足，于1945年6月拟定了存储程序式电子计算机方案EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量自动电子计算机）。该方案指出了计算机应由五部分构成，提出了程序存储的思想，成为电子计算机设计的基本原则。根据这些原理制造的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。由于冯·诺依曼的突出贡献，他被西方人称为计算机之父。冯·诺依曼等人于1952年成功研制EDVAC。EDVAC采用二进制，使用了3600个电子管，占地面积不足ENIAC的1/3。而世界上首台“存储程序式”电子计算机EDSAC（Electronic Delay Storage Automatic Calculator，电子延迟存储自动计算机）由剑桥大学的莫里斯·威尔克斯（Maurice V.Wilkes）教授在冯·诺依曼EDVAC草案的启发下，于1949年5月研制成功。

1.4.2 计算机的分代与分类

1.计算机的分代

自1946年电子计算机问世至今，计算机在制作工艺、元器件、软件、应用领域等各方面飞速发展。根据计算机所采用的逻辑元件的不同，一般将计算机的发展分成5个阶段，每一阶段在技术上都有崭新的突破，在性能上都有质的飞跃。

（1）第一代计算机：电子管计算机时代（1946—1957）

逻辑元件采用电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器有纸带、卡片、磁带和磁鼓等。软件使用机器语言或汇编语言编写。主要用于军事和科学计算。特点是体积大、耗能高、速度慢（一般每秒数千次至数万次）、存储容量小、价格昂贵。其代表机型有EDVAC、IBM704等。

（2）第二代计算机：晶体管计算机时代（1958—1964）

晶体管的发明改变了计算机的构建方式。IBM公司在1958年制造出第一台全部使用晶体管的计算机RCA501。逻辑元件采用晶体管，使计算机的能耗降低，寿命延长，运算速度提高（一般每秒为数十万次，甚至可高达300万次），可靠性提高，价格不断下降。第二代计算机的内存储器使用磁芯，外存储器使用磁盘和磁带。软件方面出现了一系列高级程序设计语言（如FORTRAN、COBOL等），并提出了操作系统的概念。计算机设计出现了系列化的思想，应用范围也从军事与科学计算方面延伸到工程设计、数据处理、气象及事务管理科学研究领域。与第一代计算机相比，第二代计算机在体积、成本、重量、功耗、速度以及可靠性等方面有了较大的提高。其代表机型有IBM7090、ATLAS等。

（3）第三代计算机：中、小规模集成电路计算机时代（1965—1970）

逻辑元件采用中、小规模集成电路（Integrated Circuit，IC）。一块小小的硅片上，可以集成上百万个电子器件，如晶体管、电阻器或电容器等，因此常把它称为芯片。主存储器开始使用半导体存储器，外存储器使用磁盘和磁带。在这个阶段，出现了键盘和显示器。软件方面出现了操作系统以及结构化、模块化程序设计方法。软硬件都向标准化、多样化、通用化、系列化的方向发展。计算机开始广泛扩展到文字处理、图形处理等领域。其代表机型有IBM 360和CDC 7600。

（4）第四代计算机：大规模、超大规模集成电路计算机时代（1971年至今）

第四代计算机以Intel公司1971年研制的第一台微处理器Intel 4004为标志，这一芯片集成了2250个晶体管，其功能相当于ENIAC，标志着大规模集成电路时代的到来，为微型计算机的出现奠定了基础。中央处理器（Central Process Unit，CPU）高度集成化是这一代计算机的主要特征。集成度高的半导体存储器完全代替了磁芯存储器，外存的存储速度和存储容量得到大幅度提升。外围设备有了很大发展，出现了光字符阅读器（OCR）、扫描仪、激光打印机和各种绘图仪。计算机的体积、重量、功耗、价格不断下降，而性能、速度和可靠性不断提高，操作系统也在不断完善，数据库管理系统也得到了进一步发展。计算机的应用范围遍及网络、天气预报和多媒体等领域。

（5）第五代计算机

第五代计算机是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。第五代计算机是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它主要面向知识处理，能进行并行计算，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知领域和获得新的知识。人机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形、图像交流和传输信息。1981年10月，日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机。后来，美国等国家都先后投入巨资来研制第五代计算机。目前，第五代计算机的研制虽取得了一定的研究成果，但至今仍没有研制出具备智能特点的计算机。第五代计算机的研制对于人类又是一个巨大的挑战。

2.计算机的分类

计算机发展的“分代”代表了计算机在时间轴上纵向的发展历程，而“分类”可用来说明计算机横向的发展。计算机种类很多，分类方法也有多种。目前，最常用的一种分类方法是1989年11月IEEE根据当时计算机的性能及发展趋势，按照运算速度、字长、存储性能等综合指标，将计算机分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型计算机和嵌入式计算机（见图1-12）。

（1）巨型机

巨型机（super computer）也称为超级计算机，简称超算。在所有计算机类型中，巨型机占地面积最大，价格最贵，功能最强，运算速度最快。巨型机的研制水平、生产能力及其应用程度已经成为衡量一个国家科技水平、经济发展、军事实力的象征。巨型机主要用于尖端科学领域，特别是国防领域。我国在1983年、1992年、1997年由国防科技大学计算机学院分别推出了银河Ⅰ（每秒一亿次）、银河Ⅱ（每秒十亿次）、银河Ⅲ（每秒百亿次）计算机。银河系列计算机的推出标志着中国成为继美国、日本之后第三个生产巨型机的国家。

2023年5月22日，在国际TOP500组织发布的全球超级计算机500强榜单中，美国橡树岭国家实验室的“前沿”（Frontier）超算凭1.194EFIop/s（百亿亿次）的HPL（High Performance Linpack，高度并行计算基准测试）得分获得第一名，是目前唯一一台真正的百亿亿次超算。中国的神威太湖之光和天河二号位列第7名和第10名。在500强中，中国总上榜台数为136台，居总榜第二位。

（2）大型机

大型机（mainframe computer）的主机非常庞大，采用了多处理、并行处理等技术，通常具备超大的内存、海量的存储器，使用专用的操作系统和应用软件。大型机大量使用冗余等技术确保其安全性及稳定性，具有很强的管理和处理数据的能力，主要用于大企业、银行、高校和科研院所。目前，生产大型机的企业有IBM、Unisys等。

（3）小型机

小型机（minicomputer）是20世纪70年代由美国的DEC（数字设备公司）首先开发的一种高性能计算产品。小型机具备高可靠性、高可用性、高服务性等特性。而且小型机结构简单、价格介于普通服务器和大型主机之间，使用和维护方便，深受中小企业欢迎。当前，生产小型机的厂家主要有IBM、HP等。

（4）工作站

工作站（workstation）是一种高档微型机系统，具有较高的运算速度，具有大型机和小型机的多任务、多用户能力，而且具有操作方便的交互界面。其最突出的特点是具有很强的图形交互能力，因此在工程领域特别是图像处理、计算机辅助设计领域得到迅速发展。目前，许多厂商都推出了适合不同用户群体的工作站，如IBM、联想、DELL（戴尔）、HP（惠普）、Wiseteam等。工业级一体化工作站的生产厂家有诺达佳（NODKA）和研华等。

（5）微型计算机

微型计算机（microcomputer）简称微机，通常所说的个人计算机（Personal Computer，PC）也是指微机。1981年8月12日，IBM发布了其第一台PC——IBM5150，开创了全新的微机时代。微机自产生以来，以设计先进、软件丰富、功能齐全、价格低廉、体积小等优势而被广大用户青睐。微型计算机的发展，极大地推动了计算机的普及应用。现在微型机除了台式机外，还有笔记本式、掌上型和手表型等多种类型。

（6）嵌入式计算机

嵌入式计算机（embedded computer）是指嵌入各种设备及应用产品内部的计算机。嵌入式计算机以应用为中心，软硬件可裁减，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机。嵌入式计算机系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成。嵌入式计算机系统最早出现在20世纪60年代的武器控制中，用于军事指挥控制和通信系统。现在嵌入式系统已广泛应用到生活中的电器设备中，如掌上PDA、电视机顶盒、手机上网设备、数字电视、汽车、微波炉、数码照相机、家庭自动化系统、电梯、空调、自动售货机、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。

1.4.3 计算机在中国的发展

1.中国计算机发展史

1956年中国科学院计算技术研究所成立，这是新中国第一个有关计算技术的研究所，人们称之为“中国计算机事业的摇篮”，标志着新中国计算机事业的开始。

1958年6月103型电子计算机由中科院计算所研制成功，运行速度为每秒1500次，内存为1024字节。119型电子计算机是中国自行设计的电子管大型通用计算机，是当时世界上最快的电子管计算机。

1960年，中国第一台大型通用电子计算机“107机”（见图1-13）研制成功。

1963年，我国第一台大型晶体管计算机“109机”研制成功。

1968年12月，晶体管大型通用数字电子计算机“109丙机”研制成功。

1970年，中国第一批小规模集成电路通用数字电子计算机“111机”研制成功。

1976年11月，大型通用集成电路通用数字电子计算机“013机”研制成功。

进入20世纪80年代，改革开放的大潮席卷全国，外来技术的引进加快了中国计算机产业的发展。在这一时期，不仅确立了计算机微型化的新趋势，同时也使个人PC的理念逐渐被大众所接受。

1983年12月，“银河Ⅰ号”巨型计算机研制成功，运行速度为每秒1亿次。

1983年11月，中规模集成电路大型向量数字电子计算机“757机”研制成功。

1987年，联想式汉字微型机系“LX-PC”研制成功，开创了联想公司的PC大业。

1991年，我国第一台基于微处理器的并行计算机研制成功。

1985年，我国第一台微型电子计算机长城0520C研制成功。

1999年，长城推出的飓风499个人机，第一次将微机的价格拉到5000元以下。

21世纪以来，随着计算机技术的发展，我国计算机产业出现了前所未有的发展大潮。

2.中国计算机之父

董铁宝是我国著名力学家、计算数学家，是中国计算机研制和断裂力学研究的先驱之一，他被誉为“中国计算机之父”。

董铁宝于1922年迁居上海；1939年毕业于国立交通大学土木工程系，就职于国民政府交通部桥梁设计处，历任实习生、公务员、工程师；1945年抗战胜利后赴美留学；1946年1月，在普渡大学土木系攻读研究生，并担任助教；1947年至1950年，在伊利诺伊大学力学系攻读博士学位；之后留校任助理教授、副教授，曾使用计算机ILLIAC-I解决了大量题目；1956年，毅然放弃美国的优越生活，携全家辗转欧洲返回中国，在北京大学数学力学系固体力学教研室任教，同时在数学力学系计算数学教研室、中国科学院力学研究所、计算技术研究所、哈尔滨工程力学所等单位兼职从事教学与合作研究；1958年，转入数学力学系计算数学教研室，并获美国土木工程师学会颁发的Moisseiff奖。1958年，北京大学开始制造中国第一台计算机，得到了董铁宝的积极支持和具体指导。20世纪60年代初，董铁宝开始进行每秒百万次运行速度的计算机设计。董铁宝对我国计算机事业的发展有着重要的贡献和影响。

1.4.4 计算机的局限性

计算机发展至今，在硬件和软件方面依然存在诸多不足。对于以下几种情况，计算机是无法处理的。

●信息无法离散为二进制。比如对于人类而言，情感体验从来都不是一种精确的量化感受，并且受各种不同因素的影响。这些不能量化的信息无法录入计算机中，计算机更无法处理，即使强行离散化，计算机处理出来的数据也和现实相去甚远，意义不大。

●输入/输出数据无法确定或数据范围无穷大。输入/输出数据必须是确定的，且数据范围在计算机能显示的正常范围内，否则计算机无法正常显示这些信息。

●问题无法转化为无二义性问题或者问题无法在有限步骤内完成。问题的描述有二义性，会导致算法的混乱，甚至使计算机输出异常信息。问题无法在有限步骤内完成则会导致计算机死机，出现故障。

1.4.5 计算机的应用

计算机是当代最先进的计算工具，计算机的应用已遍及经济、政治、军事及社会生产生活的各个领域，为社会创造了巨大的效益。计算机的应用可归纳为以下几方面。

1.科学计算

计算机最早应用于计算。在科学研究和工程技术中，利用计算机高速运算和大容量存储的能力，可进行各种复杂的、人工难以完成或根本无法完成的数值计算。例如，气象预报中卫星云图资料的分析计算，有数百个变元的高阶线性方程组的求解，高层建筑、地铁隧道的设计和建设，计算生物医学领域分子的组成和空间结构等，都需要求解各种复杂的方程式。

2.数据处理

数据处理又称信息处理，指对数字、字符、文字、声音、图形和图像等各种类型的数据进行收集、存储、分类、加工、排序、检索、打印和传送等。数据处理具有数据量大、输入/输出频繁、时间性强等特点，一般不涉及复杂的数值计算。计算机的应用从数值计算到非数值计算，是计算机发展史上的一个飞跃。据统计，在计算机的所有应用中，数据处理方面的应用约占全部应用的3/4以上。数据处理是现代管理的基础，被广泛地用于情报检索、统计、事务管理、生产管理自动化、决策系统、办公自动化等方面，由此也促生了很多数据管理系统。

3.数据库应用

数据库应用是计算机应用的基本内容之一。数据库是长期存储在计算机内、有组织、可共享的数据集合。例如，企业的人事部门常常要把本单位职工的基本情况存放在表中，这张表就可以被看成数据库。使用数据库技术可以方便地对数据进行查询、增加、删除、修改等操作。在当今的信息社会，从国家经济信息系统、科技情报系统、银行储蓄系统到办公自动化及生产自动化等，均需要数据库技术的支持。

4.过程控制

过程控制也称为实时控制，是指计算机对被控制对象实时地进行数据采集、检测和处理，按最佳状态来控制或调节被控对象的一种方式。在日常生活中，计算机可以代替人类完成那些繁重或危险的工作。对一些人们无法亲自操作的控制问题（如核反应堆），使用计算机就可以实现精确控制。生产过程中使用计算机进行控制，不仅可以大大提高生产率，减轻人们的劳动强度，更重要的是可提高控制精度，提高产品质量和合格率。过程控制已经在石油、化工、冶金、纺织、水电、机械制造业等领域得到广泛应用。

5.计算机辅助工程

计算机辅助工程是以计算机为工具，配备专用软件辅助人们完成特定任务的工作，以提高工作效率和工作质量为目标。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）是指设计和制造人员利用计算机来协助进行生产设备的管理、控制和操作。计算机辅助设计软件能高效率地绘制、修改、输出工程图样。设计中的常规计算能帮助设计人员寻找较好的方案，使设计周期大幅度缩短，同时设计质量大幅提高。应用该技术能使各行各业的设计人员从繁重的绘图设计中解脱出来，使设计工作自动化。计算机辅助制造指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程，在各大制造业都有广泛的应用。

计算机辅助设计可以与计算机辅助制造、辅助测试融为一体，形成计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）的概念，这样就使得工程项目的全部过程，包括企业管理在内，都统一置于计算机辅助之下而完全自动化。目前，在电子、机械、造船、航空、建筑、化工、电器等方面都有计算机辅助设计的应用，这样可以提高设计质量，缩短设计和生产周期，提高自动化水平。

电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）技术利用计算机中安装的专用软件和接口设备，用硬件描述语言开发可编程芯片，将软件进行固化，从而扩充硬件系统的功能，提高系统的可靠性和运行速度。

计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）是计算机应用的一个热门领域。计算机辅助教学利用计算机技术、多媒体技术和网络通信等手段，以生动的画面、形象的演示，给人以耳目一新的感觉，使讲解更直观、更清晰、更具吸引力。计算机辅助教学还能最大化地提高课容量和课密度，这是传统教学所无法比拟的。而且，计算机辅助教学是一种以计算机软件为载体的教学，而软件的易传播性也是引起教学方法变革的巨大动力。计算机辅助教学作为信息化工程的一部分，体现了它独特的魅力。

目前，大型开放式网络课程（Massive Open Online Courses，MOOC）成功实现了基于计算机和网络的知识交换。让每个人都能免费获取来自名牌大学或名师的资源，可以在任何地方、用任何设备进行学习。网络课程适用于专家培训、各学科间的交流学习以及特别教育等学习模式，任何学习类型的信息都可以通过网络传播。

6.人工智能

人工智能方面的应用是计算机应用研究的前沿。人工智能通过计算机系统来模拟人的智能行为，代替人的部分脑力劳动，完成模式识别、景物分析、自然语言理解、自动程序设计等任务，辅助人类进行决策。机器人作为20世纪人类最伟大的发明之一，也体现了计算机在人工智能方面的成果。最新研制的机器人有的可以做一些简单的表情和动作，有的具有一定的感知和识别能力。机器人不仅可以在车间流水线上完成一些重复的操作，还可以从事许多更为复杂的工作，如进行手术、给残疾人喂饭、探测月球等。目前，正在加紧研制的第五代计算机，就是一个大型综合的人工智能系统。

7.电子商务

电子商务（electronic commerce）通常是指在互联网开放的网络环境下，买卖双方利用网络资源，不谋面地进行各种商贸活动，实现消费者的网上购物、商户之间的网上交易和在线电子支付，以及各种商务活动、交易活动、金融活动和相关的综合服务活动。电子商务可通过多种电子通信方式来完成，但目前主要是通过电子数据交换（Electronic Data Interchange，EDI）和因特网来完成。作为一种新型的商业运营模式，电子商务具有普遍性、方便性、整体性、安全性、协调性等特性。同时，电子商务系统也面临诸如保密性、可测性和可靠性的挑战，但这些挑战将随着网络信息技术的发展和社会的进步而得以克服。

8.娱乐

在工作之余，人们可以使用计算机欣赏电影和音乐、进行网络游戏等。利用计算机制作的特效也在影视剧的拍摄中大显神威。例如，《流浪地球》《三体》《变形金刚》等影视剧的特效带给人们震撼的视觉效果。而数字技术、云计算、大数据、人工智能等前沿技术在特效制作领域的应用，将给影视工业化带来更多发展机遇。

1.4.6 未来计算机的发展趋势

计算机的未来充满了变数，但性能的大幅度提高是毋庸置疑的，同时计算机将越来越人性化，兼具通用性与专业性。

当前的冯·诺依曼计算机主要向着巨型化、微型化、网络化、多媒体化、智能化的方向发展。巨型化主要为了满足尖端科学技术的研究需要，提供更高速度、大存储容量和强功能的超大型计算机。微型化体现了当前微机相关领域的技术水平和生产工艺。计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物，当前全球互联网用户已达38亿，计算机功能及应用的网络化是一个必然的发展趋势。多媒体技术是指采用计算机综合处理数据、文字、图形图像、声音等多媒体信息，同时具有集成性和交互性，多媒体化的实质就是让人们利用计算机以更接近自然的方式交换信息。智能化就是让计算机具有人工智能，它是建立在现代科学技术基础之上、综合性很强的学科。智能化的目的是研究人的感觉、行为、思维过程的机理，用计算机进行模拟，使计算机具备“视觉”“听觉”“语言”“行为”“思维”“逻辑推理”“学习”“证明”等能力，形成智能型、超智能型计算机。人工智能的研究从本质上拓宽了计算机的能力，在某些方面可以越来越多地代替甚至超越人类的脑力劳动。

迄今为止，计算机都是按照冯·诺依曼的体系结构（即存储程序计算机）进行设计的。计算机工业发展的速度令人瞠目，然而硅芯片技术的高速发展也意味着硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员提出了新型计算机的构想，并加紧开发新型计算机。从目前的研究状况来看，未来的计算机有可能在光子计算机、生物计算机、量子计算机、纳米计算机和神经网络计算机上实现质的飞越。

1.光子计算机

光子计算机是指利用光子代替半导体芯片中的电子，以光互连代替导线而制成的数字计算机，使用不同波长的光表示不同的数据。光的并行、高速的本质决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高的运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性。1990年年初，美国贝尔实验室研制出世界上第一台光子计算机，其运算速度比电子计算机快1000倍。当前，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，光子计算机可能会成为人类普遍采用的计算工具。

2.生物计算机

生物计算机又称分子计算机，使用生物芯片作为主要原材料来制造芯片。生物芯片由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。生物芯片具有巨大的存储能力，如1m3的脱氧核糖核酸（DNA）溶液，可存储1万亿的二进制数据，而且能以波的形式传送信息。生物计算机的数据处理速度比当今最快的巨型机的速度还要快百万倍以上，而能量的消耗仅为普通计算机的十亿分之一。另外，由于蛋白质分子具有自我组合的能力，从而使生物计算机具有自我调节能力、自我修复能力和再生能力，更易于模拟人类大脑的功能。1983年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。目前，在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果，这将会促使计算机、电子工程和生物工程这3个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。生物计算机一旦研制成功，将会在计算机领域内引起一场划时代的革命。

3.量子计算机

量子计算机是由美国阿贡国家实验室提出来的。量子计算机是基于量子效应开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子的叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。与传统的电子计算机相比，量子计算机具有运算速度更快、存储容量更大、搜索功能更强和安全性能更高等优点。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机（如光子计算机和生物计算机等）的不同之处。量子计算机的研究已经取得很大的进展。

2013年6月，中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队的陆朝阳、刘乃乐研究小组，在国际上首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验，标志着我国在光学量子计算领域保持着国际领先地位。2017年，潘建伟团队首次实现利用高品质量子点单光子源构建量子计算原型机，并且演示了其超越经典电子计算机与晶体管计算机的计算能力，向真正的“量子霸权”时代迈出了重要的一步。

2020年12月4日，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机——九章。九章开发团队称，求解5000万个样本的高斯玻色取样时，九章需200秒，而当时世界最快的超级计算机富岳需6亿年；求解100亿个样本时，九章需10小时，而富岳需1200亿年。九章的出现，推动全球量子计算前沿研究达到一个新高度，其超强算力在图论、机器学习、量子化学、加密解密等领域具有潜在应用价值。

2023年7月，潘建伟团队联合北京大学，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性。研究团队首次实现了基于测量的变分量子算法的演示。

4.纳米计算机

“纳米”是一个计量单位，1nm等于10-9m，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术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。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只不过如数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。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。2013年9月26日斯坦福大学宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机已成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体技术，以生产新型计算机设备。

5.神经网络计算机

神经网络计算机用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，从而模拟人脑的逻辑思维、记忆、推理、设计和分析等智能行为。神经网络计算机具有判断能力和适应能力，可并行处理多种数据，可判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。神经网络计算机除有许多处理器外，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，其信息处理速度会大大提高。神经网络计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，计算机仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆、视觉和声音识别能力。

科学家对新型计算机的研制还有很多构想，无论哪一种实现方法，都还要经历漫长且艰苦的研究过程。不过，我们相信，科学在发展，人类在进步，随着一代又一代科学家的不断努力，新型计算机与相关技术的研发和应用，必将推进全社会的高速发展，实现人类发展史上的重大突破。