電子計(jì)算機(jī)的起源與發(fā)展

1、什么是計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)（computer）俗稱電腦，是一種用于高速計(jì)算的電子計(jì)算機(jī)器，可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，又可以進(jìn)行邏輯計(jì)算，還具有存儲(chǔ)記憶功能。是能夠按照程序運(yùn)行，自動(dòng)、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(jì)算機(jī)稱為裸機(jī)。可分為超級(jí)計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)五類，較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)有生物計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)等。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)發(fā)明者約翰馮諾依曼。計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生了極其重要的影響，并以強(qiáng)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(kuò)展到社會(huì)的各

2、個(gè)領(lǐng)域，已形成了規(guī)模巨大的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)了全球范圍的技術(shù)進(jìn)步，由此引發(fā)了深刻的社會(huì)變革，計(jì)算機(jī)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(huì)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(jì)算機(jī)、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(jì)算機(jī)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(guó)，后入美國(guó)籍。歷任普林斯頓大學(xué)、普林斯頓高級(jí)研究所教授，美國(guó)原子能

3、委員會(huì)會(huì)員。美國(guó)全國(guó)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(jì)算機(jī)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(jì)行為，是博弈論學(xué)科的奠基性著作。晚年，研究自動(dòng)機(jī)理論，著有對(duì)人腦和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行精確分析的著作計(jì)算機(jī)與人腦。主要著作有量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（1926）、計(jì)算機(jī)與人腦（1958）、經(jīng)典力學(xué)的算子方法、博弈論與經(jīng)濟(jì)行為（1944）、連續(xù)幾何（1960）等。第一臺(tái)電子多用途計(jì)算機(jī)：ENIAC產(chǎn)生背景：研制電子計(jì)算機(jī)的想法產(chǎn)生于第二

4、次世界大戰(zhàn)進(jìn)行期間。當(dāng)時(shí)激戰(zhàn)正酣，各國(guó)的武器裝備還很差，占主要地位的戰(zhàn)略武器就是飛機(jī)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(guó)陸軍軍械部在馬里蘭州的阿伯丁設(shè)立了彈道研究實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)軍方要求該實(shí)驗(yàn)室每天為陸軍炮彈部隊(duì)提供6張射表以便對(duì)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(shí)上每張射表都要計(jì)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(jì)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(shí)的計(jì)算工具，實(shí)驗(yàn)室即使雇用200多名計(jì)算員加班加

5、點(diǎn)工作也大約需要二個(gè)多月的時(shí)間才能算完一張射表。在時(shí)間就是勝利的戰(zhàn)爭(zhēng)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(shí)任職賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電機(jī)工程學(xué)院的莫希利(John Mauchly)于 1942年提出了試制第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的初始設(shè)想-高速電子管計(jì)算裝置的使用，期望用電子管代替繼電器以提高機(jī)器的計(jì)算速度。美國(guó)軍方得知這一設(shè)想，馬上撥款大力支持，成立了一個(gè)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(fèi)為15萬美元，這在當(dāng)時(shí)是一筆巨款。要不是為了戰(zhàn)爭(zhēng)，誰能舍得出這么大的錢!雖說戰(zhàn)爭(zhēng)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(yùn)的是，當(dāng)時(shí)任彈道研究所顧問、正在參加美國(guó)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(jì)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(gè)問題沒有存儲(chǔ)器且它用布線接板進(jìn)行控制，甚至要搭接幾天，計(jì)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(gè)全新的存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案-EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)在此過程中他對(duì)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的順利問世。雖然ENIAC體積龐大，耗電驚人，運(yùn)算速度不過幾千次(現(xiàn)在世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)是由中國(guó)出資的天河二號(hào)，運(yùn)行速度為每秒5.49億億次浮點(diǎn)計(jì)算!)，但它比當(dāng)時(shí)已有的計(jì)算裝置要快1000倍，而且還有按事先編好的程序自動(dòng)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。ENIAC宣告了一個(gè)新時(shí)代的開始。從此科學(xué)計(jì)算的大門也被打開了。ENIAC世界上第一臺(tái)二進(jìn)制原理計(jì)算機(jī)點(diǎn)擊觀看視頻馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī) ：EDVAC說到計(jì)算機(jī)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(guó)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(zhēng)論制造可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的機(jī)器應(yīng)該采用什么樣的結(jié)

8、構(gòu)。人們被十進(jìn)制這個(gè)人類習(xí)慣的計(jì)數(shù)方法所困擾。所以，那時(shí)以研制模擬計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的數(shù)制基礎(chǔ)。同時(shí)，他還說預(yù)先編制計(jì)算程序，然后由計(jì)算機(jī)來按照人們事前制定的計(jì)算順序來執(zhí)行數(shù)值計(jì)算工作。馮諾依曼計(jì)算機(jī) 【von Neumann machine】 使用馮諾依曼體系機(jī)構(gòu)的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。1945年6月，馮諾依曼提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中存放程序的概念(Stored Program Concept)，這是所有現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)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(chǔ)程序計(jì)算機(jī)(St

9、ored Program Computer)，又稱為通用計(jì)算機(jī)。馮諾依曼計(jì)算機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備組成，它的的特點(diǎn)是:程序以二進(jìn)制代碼的形式存放在存儲(chǔ)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(chǔ)過程中按照?qǐng)?zhí)行的順序;以運(yùn)算器和控制器作為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的中心等。馮諾依曼計(jì)算機(jī)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(tái)使用晶體管線路的計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)是第二代電子計(jì)算機(jī)。在20世紀(jì)50年代之前第一代，計(jì)算機(jī)都采用電子管作元件。電子管元件在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量太多，可靠性較差，運(yùn)算速度不快，價(jià)格昂貴，體積龐大，這些都使計(jì)算機(jī)發(fā)展受到限制。于是，晶體管開始被用來

10、作計(jì)算機(jī)的元件。晶體管不僅能實(shí)現(xiàn)電子管的功能，又具有尺寸小、重量輕、壽命長(zhǎng)、效率高、發(fā)熱少、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)算機(jī)就更容易實(shí)現(xiàn)了。第一代計(jì)算機(jī)(電子管計(jì)算機(jī))使用的是定點(diǎn)運(yùn)算制，參與運(yùn)算數(shù)的絕對(duì)值必須小于1;而第二代計(jì)算機(jī)(晶體管計(jì)算機(jī))增加了浮點(diǎn)運(yùn)算，使數(shù)據(jù)的絕對(duì)值可達(dá)2的幾十次方或幾百次方，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。同時(shí)，用晶體管取代電子管，使得第二代計(jì)算機(jī)體積減小，壽命大大延長(zhǎng)，價(jià)格降低，為計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。晶體管計(jì)算機(jī)集成電路點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)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(kuò)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(gè)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(jì)技術(shù)，主要體現(xiàn)在加工設(shè)備，加工工藝，封裝測(cè)試，批量生產(chǎn)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力上。集成電路集成電路（Integrated Circuit,簡(jiǎn)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(kuò)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(gè)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(dòng)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(dú)立半導(dǎo)體設(shè)備和被動(dòng)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(diǎn)少，壽命長(zhǎng)，可

14、靠性高，性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等方面得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)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(shí)間也可大大提高。現(xiàn)代電腦未來科技光子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)。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(yùn)算代替電運(yùn)算。光的并行、高速，天然地決定了光子計(jì)算機(jī)的并行處理能力很強(qiáng)，具有超高運(yùn)算速度

15、。光子計(jì)算機(jī)還具有與人腦相似的容錯(cuò)性，系統(tǒng)中某一元件損壞或出錯(cuò)時(shí)，并不影響最終的計(jì)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(shí)能量消耗和散發(fā)熱量極低，對(duì)環(huán)境條件的要求比電子計(jì)算機(jī)低得多。隨著現(xiàn)代光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合，在不久的將來，光子計(jì)算機(jī)將成為人類普遍的工具。量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)（quantum computer），是一種全新的基于量子理論的計(jì)算機(jī)，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。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的是量子比特，可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)量子計(jì)算機(jī)，早先由理查德費(fèi)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(shí)，因?yàn)辇嫶蟮南柌乜臻g使資料量也變得龐大，一個(gè)完好的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。理查德費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。量子計(jì)算機(jī)的概念從此誕生。量子計(jì)算機(jī)，或推而廣之量子資訊科學(xué)，在1980年代多