第0章-緒論-計(jì)算的歷史與未來

計(jì)算機(jī)科學(xué)概論2023/2/61第0章

計(jì)算的歷史與未來2023/2/62計(jì)算機(jī)科學(xué)概論本章提要12342023/2/63計(jì)算機(jī)的史前時(shí)代機(jī)械式計(jì)算機(jī)卡片時(shí)代程式化計(jì)算機(jī)的萌芽6789早期的數(shù)字計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)奠定現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)的重要人物和思想5模擬計(jì)算機(jī)0.1.1石頭計(jì)算到算盤2023/2/640.１

計(jì)算機(jī)的史前時(shí)代公元前2000年的美索不達(dá)米亞人用泥板計(jì)數(shù)，這塊泥板上的契形文字代表25。我國(guó)古代數(shù)學(xué)家祖沖之就是用算籌計(jì)算出圓周率值介于3.1415926和3.1415927之間。0.1.1石頭計(jì)算到算盤2023/2/65珠算被稱為我國(guó)“第五大發(fā)明”算圣劉洪及其發(fā)明的珠算盤0.1.2計(jì)算尺和計(jì)算器2023/2/66JohnNapier(1550-1617)約翰·納皮爾納皮爾算籌(Napier’sbones)1612年發(fā)明0.1.2計(jì)算尺和計(jì)算器

1.計(jì)算尺2023/2/67威廉·奧特雷德(WilliamOughtred)及其發(fā)明的圓形計(jì)算尺風(fēng)靡18－19世紀(jì)的計(jì)算尺0.1.2計(jì)算尺和計(jì)算器

2.計(jì)算器2023/2/68Casio14-A史上第一臺(tái)商用小型電子計(jì)算器1957年發(fā)明一款普通的袖珍電子計(jì)算器0.2.1施卡德計(jì)算機(jī)2023/2/690.2

機(jī)械式計(jì)算機(jī)威海姆·施卡德，德國(guó)圖賓根大學(xué)教授，于1623年制造了第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算機(jī)。施卡德計(jì)算機(jī)復(fù)制品1960年，施卡德家鄉(xiāng)人根據(jù)示意圖重新制作。0.2.2帕斯卡加法機(jī)2023/2/610保存在巴黎國(guó)立工藝博物館的帕斯卡加法機(jī)，1642年發(fā)明。布萊斯·帕斯卡

法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、思想家0.2.3萊布尼茲乘法機(jī)2023/2/6111674年，萊布尼茨發(fā)明乘法機(jī)。戈特費(fèi)里德·萊布尼茲

德國(guó)數(shù)學(xué)家、微積分獨(dú)立發(fā)明人0.3.1“編織”的程序2023/2/6120.3

卡片時(shí)代明代宋應(yīng)星所著《天工開物》《天工開物》中記載的小花樓提花機(jī)2023/2/613英國(guó)曼徹斯特“科學(xué)與工業(yè)博物館”中的杰卡德編織機(jī)(1805年發(fā)明)布喬的穿孔卡片思想在雅卡爾自動(dòng)編織機(jī)上實(shí)現(xiàn)——程序控制思想的萌芽正面?zhèn)让?.3.1“編織”的程序2023/2/6140.3.2穿孔制表機(jī)美國(guó)著名統(tǒng)計(jì)專家赫爾曼·何樂禮何樂禮發(fā)明的自動(dòng)制表機(jī)2023/2/6150.3.2穿孔制表機(jī)FORTRAN程序打孔卡0.4.1差分機(jī)2023/2/6160.4

差分機(jī)和分析機(jī)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)奠基人——英國(guó)劍橋大學(xué)教授查爾斯·巴貝奇差分機(jī)二號(hào)——倫敦科學(xué)博物館的復(fù)制品0.4.2分析機(jī)2023/2/617世界上第一位程序員——奧古斯塔·艾達(dá)·拜倫后人根據(jù)巴貝奇圖紙制造的“分析機(jī)”1834年，巴貝奇提出通用計(jì)算機(jī)“分析機(jī)”構(gòu)想，直至他去世也未制成。2023/2/618設(shè)計(jì)圖紙之一——差分機(jī)和分析機(jī)存儲(chǔ)器框架2023/2/6190.5

模擬計(jì)算機(jī)美國(guó)NCAC劉易斯飛行推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

的微分分析儀，攝于1951年?，F(xiàn)代電腦之父、微分分析儀發(fā)明人萬尼瓦爾·布什2023/2/6200.6

早期的數(shù)字計(jì)算機(jī)0.6.1Z系列計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)之父克蘭德·楚澤德國(guó)博物館里存放的Z-4Z-1的復(fù)制品2023/2/6210.6.2ABC計(jì)算機(jī)被遺忘的電子計(jì)算機(jī)之父阿塔納索夫ABC計(jì)算機(jī)復(fù)制品——愛荷華州立大學(xué)達(dá)勒姆中心一樓2023/2/6220.6.3巨人計(jì)算機(jī)二戰(zhàn)期間用來破譯德國(guó)密碼的巨人計(jì)算機(jī)2023/2/6230.6.4MARK系列計(jì)算機(jī)MARK系列計(jì)算機(jī)發(fā)明人霍華德·艾肯哈佛大學(xué)的MARK-I2023/2/6240.6.4MARK系列計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)軟件之母——GraceHopper(1906-1992)(a)一本介紹霍波博士的書(b)海軍軍官霍波——攝于1984年保存在霍波筆記本中的第一個(gè)“bug”2023/2/6250.7

現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)0.7.1電子管時(shí)代

1.電子文明的曙光——電子二極管、三極管1904年，英國(guó)青年工程師約翰·弗萊明發(fā)明真空二極管1906年，美國(guó)人李·德·福雷斯特發(fā)明能起放大作用的真空三極管。2023/2/6260.7.1電子管時(shí)代

2.第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）1946年2月14日，誕生在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)2023/2/627第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC的指標(biāo)：每秒5000次加法

17468個(gè)電子管7200個(gè)二極管、70000個(gè)電阻器、10000個(gè)電容器、6000個(gè)繼電器

占地170平方米

總重量30噸

耗電174KWENIAC兩位設(shè)計(jì)者——莫契利和?？颂谽NIAC博物館中的部分器件2023/2/6280.7.2晶體管時(shí)代1947年，晶體管誕生。晶體管的三位發(fā)明人因這項(xiàng)偉大發(fā)明，三人獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)威廉·肖克利約翰·巴丁沃爾特·布拉坦2023/2/6290.7.2晶體管時(shí)代晶體管與電子管的比較：體積比電子管小很多耗電大大降低穩(wěn)定性有很大提高電子管實(shí)物晶體管實(shí)物1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室，世界上第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC。(TransistorDigitalComputer)2023/2/6300.7.3集成電路時(shí)代1959年，集成電路宣告誕生。集成電路的兩位發(fā)明權(quán)人杰克·基爾比羅伯特·諾伊斯2023/2/6310.7.3集成電路時(shí)代集成電路與晶體管的比較集成電路實(shí)物晶體管實(shí)物1964年4月7日，IBM360計(jì)算機(jī)問世，標(biāo)志著第三代計(jì)算機(jī)的全面登場(chǎng)。2023/2/6320.7.3集成電路時(shí)代仙童半導(dǎo)體公司創(chuàng)始人——仙童八叛逆2023/2/6330.7.4大規(guī)模集成電路時(shí)代：微處理器時(shí)代微處理器的出現(xiàn)

1971年，Intel4004誕生。第一塊微處理器芯片Intel4004及其發(fā)明人特德·霍夫

PC機(jī)：PersonalComputer1981年8月12日，IBM公司正式推出了全球第一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)——IBMPC。2023/2/6340.7.4大規(guī)模集成電路時(shí)代：微處理器時(shí)代1975年，年僅20的蓋茨與好友保羅·艾倫共同創(chuàng)建了Microsoft公司。比爾·蓋茨保羅·艾倫起止年代主要元件主要元件圖例速度（次/秒）特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域第一代1946年～1950年代末電子管5千～1萬次體積巨大，運(yùn)算速度較低，耗電量大，存儲(chǔ)容量??；主要用來進(jìn)行科學(xué)計(jì)算第二代1950年代中～1960年代中晶體管幾萬～幾十萬次體積減少，耗電較少，運(yùn)算速度較高，價(jià)格下降；不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)管理，并逐漸用于工業(yè)控制第三代1960年代中～1970年代初中、小規(guī)模集成電路幾十萬～幾百萬次體積、功耗進(jìn)一步減少，可靠性和速度進(jìn)一步提高；應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展到文字處理、企業(yè)管理、自動(dòng)控制、城市交通管理等方面第四代1970年代初～今大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路幾千萬～幾百萬億次性能大幅度提高，價(jià)格大幅度下降，廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面，進(jìn)入辦公室和家庭；在辦公室自動(dòng)化、電子編輯排版、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、專家系統(tǒng)等領(lǐng)域中大顯身手各代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2023/2/6352023/2/6360.7.5后PC時(shí)代什么是后PC時(shí)代？2023/2/6370.7.5后PC時(shí)代AppleWatch&Google眼鏡家庭娛樂設(shè)備2023/2/6380.7.6下一代計(jì)算機(jī)1965年，Intel公司的締造者之一戈登·摩爾（GordonMoore）在總結(jié)存儲(chǔ)器芯片的增長(zhǎng)規(guī)律時(shí)，指出“微芯片上集成的晶體管數(shù)目每12個(gè)月翻一番”。在隨后的歲月里，發(fā)現(xiàn)微芯片的容量通常每18~24個(gè)月翻一番。因而，“微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番”就被人們稱為摩爾定律（Moore’sLaw），如圖所示。2023/2/6390.7.6下一代計(jì)算機(jī)1邏輯代數(shù)布爾2計(jì)算機(jī)開關(guān)電路香農(nóng)3圖靈機(jī)&圖靈測(cè)試圖靈4馮·諾依曼結(jié)構(gòu)馮·諾依曼2023/2/6400.8

奠定現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)的重要人物和思想布爾及邏輯代數(shù)2023/2/641邏輯代數(shù)創(chuàng)始人喬治·布爾1847年，出版《邏輯的數(shù)學(xué)分析》（TheMathematicalAnalysisofLogic。1854年，出版《思維規(guī)律的研究——邏輯與概率的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)》（AnInvestigationoftheLawsofThought,onWhichareFoundedtheMathematicalTheoriesofLogicandProbabilities。

香農(nóng)及計(jì)算機(jī)開關(guān)電路2023/2/642信息論的創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)1938年，年僅22歲的香農(nóng)在碩士論文的基礎(chǔ)上，發(fā)表論文“繼電器和開關(guān)電路的符號(hào)分析”（ASymbolicAnalysisofRelayandSwitchingCircuits），首次闡述了如何將布爾代數(shù)運(yùn)用于邏輯電路，奠定了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)開關(guān)電路的理論基礎(chǔ)。

圖靈及圖靈機(jī)、圖靈測(cè)試2023/2/643計(jì)算機(jī)與人工智能之父

——阿蘭·圖靈

圖靈是計(jì)算機(jī)邏輯的奠基者，許多人工智能的重要方法也源自這位偉大的科學(xué)家：24歲，提出圖靈機(jī)理論；31歲，參與Colossus（二戰(zhàn)時(shí)英國(guó)破解德國(guó)通信密碼的計(jì)算機(jī)）的研制；33歲，構(gòu)思了仿真系統(tǒng)；35歲，提出自動(dòng)程序設(shè)計(jì)概念；38歲，設(shè)計(jì)了“圖靈測(cè)試”；

在后來還創(chuàng)造了一門新學(xué)科——非線性力學(xué)；……。

圖靈機(jī)2023/2/644圖靈機(jī)模型示意圖1936年5月28日，圖靈向倫敦權(quán)威的數(shù)學(xué)雜志投了一篇論文，題為“論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用”(OnComputableNumbers,withanApplicationtotheEntscheidungsproblem)。在這篇開創(chuàng)性的論文中，圖靈給“可計(jì)算性”下了一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，并提出著名的“圖靈機(jī)(TuringMachine)”的設(shè)想。圖靈測(cè)試2023/2/6451950年10月，圖靈發(fā)表一篇題為“計(jì)算機(jī)器與智能”(Computingmachineryandintelligence)的論文，成為劃時(shí)代之作。在這篇論文里，圖靈第一次提出“機(jī)器思維”的概念。即，著名的“圖靈測(cè)試”（TuringTesting）。圖靈獎(jiǎng)2023/2/646為紀(jì)念圖靈對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域做出的巨大貢獻(xiàn)，國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(AssociationforComputingMachinery，ACM)于1966年開始設(shè)立圖靈獎(jiǎng)(TuringAward)，這是計(jì)算機(jī)界最負(fù)盛名的獎(jiǎng)項(xiàng)，有“計(jì)算機(jī)界諾貝爾獎(jiǎng)”之稱。首位華人獲獎(jiǎng)?wù)摺?000年圖靈獎(jiǎng)得主，姚期智首位女性獲獎(jiǎng)?wù)摺?006年圖靈獎(jiǎng)得主，法蘭西斯·艾倫姚期智法蘭西斯·艾倫馮·諾依曼及馮·諾依曼結(jié)構(gòu)2023/2/647現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父——馮·諾伊曼著名的兩篇報(bào)告：

1945年6月30日

FirstDraftofaReportontheEDVAC

（俗稱“101頁(yè)報(bào)告”）

1946年7、8月間

Preliminarydiscussionofthethelogicaldesignofanelectroniccomputinginstrument

（電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)初探）2023/2/648馮·諾依曼結(jié)構(gòu)這兩篇報(bào)告的綜合設(shè)計(jì)思想，便是著名的“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（vonNeumannArchitecture）”。采用二進(jìn)制，不但數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制，指令也采用二進(jìn)制；計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出裝置；程序由指令組成并和數(shù)據(jù)一起存放在存儲(chǔ)器中，機(jī)器按程序指定的邏輯順序，把指令從存儲(chǔ)器中讀出來并逐條執(zhí)行，從而自動(dòng)完成程序描述的處理工作。(即，“存儲(chǔ)程序”＋“程序控制”思想)2023/2/649第一臺(tái)“存儲(chǔ)程序”電子計(jì)算機(jī)——EDSAC，英國(guó)劍橋大學(xué)教授威爾克斯主持。下面機(jī)器是較早實(shí)現(xiàn)“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”、按照“存儲(chǔ)程序＋程序控制”工作的計(jì)算機(jī)：

IAS——馮·諾依曼主持

EDVAC——馮·諾依曼主持

EDSAC——莫里斯·威爾克斯主持馮·諾伊曼及IAS機(jī)EDVAC60年來神話般的進(jìn)步2023/2/650ENIACIntelCoreDuo2006首次登場(chǎng)1946年2006年性能5

000次加法/秒20.6億次運(yùn)算/秒功耗170kW最多31W重量28t幾乎可以忽略大小80英尺×8英尺90.3mm2器件數(shù)量17

840支電子管150.6百萬支晶體三極管成本US$487

000US$6370.9

計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)2023/2/6510.9.1高性能計(jì)算全球最快計(jì)算機(jī)排行榜，每年在6月和11月發(fā)布兩次，這個(gè)榜單代表著世界上超級(jí)計(jì)算技術(shù)的最高水平。圖0.80是2014年6月所發(fā)布的TOP500超級(jí)計(jì)算機(jī)分布圖，從圖上可以看出，美國(guó)仍然是世界高性能計(jì)算技術(shù)的引領(lǐng)者，在TOP50