電子計算機的起源與發(fā)展

1、什么是計算機：計算機（computer）俗稱電腦，是一種用于高速計算的電子計算機器，可以進(jìn)行數(shù)值計算，又可以進(jìn)行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成，沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機?？煞譃槌売嬎銠C、工業(yè)控制計算機、網(wǎng)絡(luò)計算機、個人計算機、嵌入式計算機五類，較先進(jìn)的計算機有生物計算機、光子計算機、量子計算機等。計算機的應(yīng)用：計算機發(fā)明者約翰馮諾依曼。計算機是20世紀(jì)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，對人類的生產(chǎn)活動和社會活動產(chǎn)生了極其重要的影響，并以強大的生命力飛速發(fā)展。它的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事科研應(yīng)用擴展到社會的各

2、個領(lǐng)域，已形成了規(guī)模巨大的計算機產(chǎn)業(yè)，帶動了全球范圍的技術(shù)進(jìn)步，由此引發(fā)了深刻的社會變革，計算機已遍及一般學(xué)校、企事業(yè)單位，進(jìn)入尋常百姓家，成為信息社會中必不可少的工具。Development process約翰馮諾依曼：科學(xué)全才馮諾依曼（John von Neumann，19031957），20世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)家之一，在現(xiàn)代計算機、博弈論、核武器和生化武器等諸多領(lǐng)域內(nèi)有杰出建樹的最偉大的科學(xué)全才之一，被后人稱為“計算機之父”和“博弈論之父”。1 原籍匈牙利。布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士。先后執(zhí)教于柏林大學(xué)和漢堡大學(xué)。1930年前往美國，后入美國籍。歷任普林斯頓大學(xué)、普林斯頓高級研究所教授，美國原子能

3、委員會會員。美國全國科學(xué)院院士。早期以算子理論、共振論、量子理論、集合論等方面的研究聞名，開創(chuàng)了馮諾依曼代數(shù)。第二次世界大戰(zhàn)期間為第一顆原子彈的研制作出了貢獻(xiàn)。為研制電子數(shù)字計算機提供了基礎(chǔ)性的方案。1944年與摩根斯特恩（Oskar Morgenstern）合著博弈論與經(jīng)濟行為，是博弈論學(xué)科的奠基性著作。晚年，研究自動機理論，著有對人腦和計算機系統(tǒng)進(jìn)行精確分析的著作計算機與人腦。主要著作有量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（1926）、計算機與人腦（1958）、經(jīng)典力學(xué)的算子方法、博弈論與經(jīng)濟行為（1944）、連續(xù)幾何（1960）等。第一臺電子多用途計算機：ENIAC產(chǎn)生背景：研制電子計算機的想法產(chǎn)生于第二

4、次世界大戰(zhàn)進(jìn)行期間。當(dāng)時激戰(zhàn)正酣，各國的武器裝備還很差，占主要地位的戰(zhàn)略武器就是飛機和大炮，因此研制和開發(fā)新型大炮和導(dǎo)彈就顯得十分必要和迫切。為此美國陸軍軍械部在馬里蘭州的阿伯丁設(shè)立了彈道研究實驗室。美國軍方要求該實驗室每天為陸軍炮彈部隊提供6張射表以便對導(dǎo)彈的研制進(jìn)行技術(shù)鑒定。千萬別小瞧了這區(qū)區(qū)6張射表，它們所需的工作量大得驚人!事實上每張射表都要計算幾百條彈道，而每條彈道的數(shù)學(xué)模型你知道是什么嗎?一組非常復(fù)雜的非線性方程組。這些方程組是沒有辦法求出準(zhǔn)確解的，因此只能用數(shù)值方法近似地進(jìn)行計算。不過即使用數(shù)值方法近似求解也不是一件容易的事!按當(dāng)時的計算工具，實驗室即使雇用200多名計算員加班加

5、點工作也大約需要二個多月的時間才能算完一張射表。在時間就是勝利的戰(zhàn)爭年代，這么慢的速度怎么能行呢?恐怕還沒等先進(jìn)的武器研制出來，敗局已定。為了改變這種不利的狀況，當(dāng)時任職賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電機工程學(xué)院的莫希利(John Mauchly)于 1942年提出了試制第一臺電子計算機的初始設(shè)想-高速電子管計算裝置的使用，期望用電子管代替繼電器以提高機器的計算速度。美國軍方得知這一設(shè)想，馬上撥款大力支持，成立了一個以莫希利、?？颂?John Eckert)為首的研制小組開始研制工作、預(yù)算經(jīng)費為15萬美元，這在當(dāng)時是一筆巨款。要不是為了戰(zhàn)爭，誰能舍得出這么大的錢!雖說戰(zhàn)爭萬惡，但未始不偶爾促進(jìn)科技的發(fā)展。

6、讓研制工作十分幸運的是，當(dāng)時任彈道研究所顧問、正在參加美國第一顆原子彈研制工作的數(shù)學(xué)家馮諾依曼(vn weumann，1903-1957，美籍匈牙利人)帶著原子彈研制(1944年)過程中遇到的大量計算問題，在研制過程中期加入了研制小組。原本的ENIAC存在兩個問題沒有存儲器且它用布線接板進(jìn)行控制，甚至要搭接幾天，計算速度也就被這一工作抵消了。1945年，馮諾依曼和他的研制小組在共同討論的基礎(chǔ)上，發(fā)表了一個全新的存儲程序通用電子計算機方案-EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)在此過程中他對計算機的許多關(guān)鍵性問題的解決作出了重

7、要貢獻(xiàn)，從而保證了計算機的順利問世。雖然ENIAC體積龐大，耗電驚人，運算速度不過幾千次(現(xiàn)在世界上最快的超級計算機是由中國出資的天河二號，運行速度為每秒5.49億億次浮點計算!)，但它比當(dāng)時已有的計算裝置要快1000倍，而且還有按事先編好的程序自動執(zhí)行算術(shù)運算、邏輯運算和存儲數(shù)據(jù)的功能。ENIAC宣告了一個新時代的開始。從此科學(xué)計算的大門也被打開了。ENIAC世界上第一臺二進(jìn)制原理計算機點擊觀看視頻馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機 ：EDVAC說到計算機的發(fā)展，就不能不提到匈牙利科學(xué)家馮諾依曼(曾在德國柏林大學(xué)任教)。從20世紀(jì)初，物理學(xué)和電子學(xué)科學(xué)家們就在爭論制造可以進(jìn)行數(shù)值計算的機器應(yīng)該采用什么樣的結(jié)

8、構(gòu)。人們被十進(jìn)制這個人類習(xí)慣的計數(shù)方法所困擾。所以，那時以研制模擬計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀(jì)30年代中期，匈牙利科學(xué)家馮諾依曼大膽地提出，拋棄十進(jìn)制，采用二進(jìn)制作為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎(chǔ)。同時，他還說預(yù)先編制計算程序，然后由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執(zhí)行數(shù)值計算工作。馮諾依曼計算機 【von Neumann machine】 使用馮諾依曼體系機構(gòu)的電子數(shù)字計算機。1945年6月，馮諾依曼提出了在數(shù)字計算機內(nèi)部的存儲器中存放程序的概念(Stored Program Concept)，這是所有現(xiàn)代電子計算機的模板，被稱為馮 諾依曼結(jié)構(gòu)，按這一結(jié)構(gòu)建造的電腦稱為存儲程序計算機(St

9、ored Program Computer)，又稱為通用計算機。馮諾依曼計算機主要由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設(shè)備組成，它的的特點是:程序以二進(jìn)制代碼的形式存放在存儲器中;所有的指令都是由操作碼和地址碼組成;指令在其存儲過程中按照執(zhí)行的順序;以運算器和控制器作為計算機結(jié)構(gòu)的中心等。馮諾依曼計算機廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)的處理和控制方面，但是存在一定的局限性第一臺使用晶體管線路的計算機晶體管計算機是第二代電子計算機。在20世紀(jì)50年代之前第一代，計算機都采用電子管作元件。電子管元件在運行時產(chǎn)生的熱量太多，可靠性較差，運算速度不快，價格昂貴，體積龐大，這些都使計算機發(fā)展受到限制。于是，晶體管開始被用來

10、作計算機的元件。晶體管不僅能實現(xiàn)電子管的功能，又具有尺寸小、重量輕、壽命長、效率高、發(fā)熱少、功耗低等優(yōu)點。使用晶體管后，電子線路的結(jié)構(gòu)大大改觀，制造高速電子計算機就更容易實現(xiàn)了。第一代計算機(電子管計算機)使用的是定點運算制，參與運算數(shù)的絕對值必須小于1;而第二代計算機(晶體管計算機)增加了浮點運算，使數(shù)據(jù)的絕對值可達(dá)2的幾十次方或幾百次方，計算機的計算能力實現(xiàn)了一次飛躍。同時，用晶體管取代電子管，使得第二代計算機體積減小，壽命大大延長，價格降低，為計算機的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。晶體管計算機集成電路點擊觀看視頻集成電路(integrated circuit)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工

11、藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu);其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母IC表示。集成電路發(fā)明者為杰克基爾比(基于鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特諾伊思(基于硅(Si)的集成電路)。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。是20世紀(jì)50年代后期一60年代發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件。它是經(jīng)過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的半導(dǎo)體、電阻、電

12、容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內(nèi)的電子器件。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式。集成電路技術(shù)包括芯片制造技術(shù)與設(shè)計技術(shù)，主要體現(xiàn)在加工設(shè)備，加工工藝，封裝測試，批量生產(chǎn)及設(shè)計創(chuàng)新的能力上。集成電路集成電路（Integrated Circuit,簡稱IC）是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件。它是經(jīng)過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的半導(dǎo)體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內(nèi)的電子器件。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式

13、。集成電路集成電路或稱微電路微電路（microcircuit）、 微芯片微芯片（microchip）、芯片芯片（chip）在電子學(xué)中是一種把電路（主要包括半導(dǎo)體裝置，也包括被動元件等）小型化的方式，并通常制造在半導(dǎo)體晶圓表面上。前述將電路制造在半導(dǎo)體芯片表面上的集成電路又稱薄膜（thin-film）集成電路。另有一種厚膜（thick-film）混成集成電路（hybrid integrated circuit）是由獨立半導(dǎo)體設(shè)備和被動元件，集成到襯底或線路板所構(gòu)成的小型化電路。本文是關(guān)于單片（monolithic）集成電路，即薄膜集成電路。集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可

14、靠性高，性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。它不僅在工、民用電子設(shè)備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應(yīng)用，同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應(yīng)用。用集成電路來裝配電子設(shè)備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設(shè)備的穩(wěn)定工作時間也可大大提高?，F(xiàn)代電腦未來科技光子計算機量子計算機光子計算機光子計算機是一種由光信號進(jìn)行數(shù)字運算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機。它由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備構(gòu)成，靠激光束進(jìn)入反射鏡和透鏡組成的陣列進(jìn)行信息處理，以光子代替電子，光運算代替電運算。光的并行、高速，天然地決定了光子計算機的并行處理能力很強，具有超高運算速度

15、。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性，系統(tǒng)中某一元件損壞或出錯時，并不影響最終的計算結(jié)果。光子在光介質(zhì)中傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光傳輸、轉(zhuǎn)換時能量消耗和散發(fā)熱量極低，對環(huán)境條件的要求比電子計算機低得多。隨著現(xiàn)代光學(xué)與計算機技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來，光子計算機將成為人類普遍的工具。量子計算機量子計算機（quantum computer），是一種全新的基于量子理論的計算機，遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。量子計算機應(yīng)用的是量子比特，可以同時處在多個狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計算機那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)量子計算機，早先由理查德費曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的?？伤l(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實際的天文數(shù)字。理查德費曼當(dāng)時就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機來模擬量子現(xiàn)象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。量子計算機，或推而廣之量子資訊科學(xué)，在1980年代多