《计算机的发展》PPT课件.ppt

计算机的发展,计算机发展简史 未来的计算机 计算机改变生活,古典计算机器时代,计算设备还不是科学，而是工具。 出现一些具备计算和存储信息能力的设备。 辅助计算的基本手段出现，主要针对的是数字。 主要特点：计算设备作为人脑计算的辅助工具，不具备自动计算能力。,早期的计算机器,早期的计算机器,哈佛大学研制的机电式自动顺序控制计算机MARK I,现代计算机-第一代计算机,主要特点 逻辑元件电子管 主存磁鼓 辅存磁带 软件机器语言、符号语言 应用科学计算 主要成就 数字电子计算机的出现，揭开了人类历史新篇章。 1946年6月，冯诺依曼提出了“存储程序”的概念以及计算机组成和框架，奠定了现代计算机的基础。,图灵、图灵机及图灵测试,阿塔纳索夫及ABC计算机,冯诺伊曼及冯诺伊曼结构,电子管计算机,1946年世界上第一台电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，注意ENIAC并不是基于“存储程序”工作的计算机！）在美国宾夕法尼亚大学研制成功。,5000次加法/秒 体重30吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,第二代电子计算机,主要特点 逻辑元件 晶体管 主存 磁芯 辅存 磁盘 软件 高级程序设计语言、操作系统 应用 除科学计算外，已应用于数据处理、过程控制 主要成就 首次将晶体管用于计算机，使计算机缩小了体积，减低了功耗，提高了速度和可靠性。 发明了高级语言。 首次提出了计算机的兼容问题，包括硬件兼容和软件兼容。,晶体管计算机,集成电路计算机,第四代电子计算机,主要特点 逻辑元件 大规模/超大规模集成电路（LSI/VLSI） 主存 LSI/VLSI半导体芯片 辅存 磁盘、光盘 软件 高级程序设计语言、操作系统 应用 科学计算、数据处理、过程控制，并进入以计算机网络为特征的应用时代,各种第四代计算机,我国计算机的发展,1958年研制出第一台电子管计算机 1964年研制出第二代晶体管计算机 1971年研制出第三代集成电路计算机 1977年研制出第一台微机DJS050 1983年研制成功银河亿次机（第四代计算机） 2002年9月联想集团研制成功“深腾1800”计算机，运算速度超过1万亿次/秒 2003年12月，我国自主研发出国内最快、世界第三的10万亿次曙光4000A高性能计算机 2010年，中国国防科大研制的“天河一号”在高性能计算机排行榜上位列第一，曙光公司部署在深圳计算中心的“星云”排行第三；,我国计算机产业发展存在的问题,自主创新能力不足； 核心技术缺失（CPU制造技术，高科技材料技术，操作系统技术，高性能网络服务器技术）； 大规模软件几乎空白； 发展体制存在缺陷； 相关法律法规不够健全，知识产权保护存在漏洞；,计算机分类 1按照处理数据信息形式分类 （1）数字计算机 （2）模拟计算机 （3）数字模拟混合计算机 2按照规模分类 （1）巨型机 （2）大型机 （3）小型机 （4）微型机,18,按照功能分类 按照计算机功能，一般可分为专用计算机和通用计算机。,1.1.4 计算机特点,1运算速度快 2计算精度高 3逻辑判断能力 4海量存储能力 5高度自动控制功能,20,1.1.5 计算机应用,1科学计算 2信息处理 3过程控制 4计算机辅助系统 5网络通信 6人工智能 7多媒体应用,未来的计算机,巨型化：天文、军事、仿真、科学计算等领域需要进行大量的计算，要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量，这就需要研制功能更强的巨型计算机； 专业化：工业计算机、嵌入式设备在工业上和专业领域应用前景广阔，车载电脑、工控计算机、银行系统等； 微型化：专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。笔记本电脑已经大量进入办公室和家庭，但是便携性、续航能力仍不够人们全天候使用，应运而生的便携式互联网设备（MID）、智能手机、平板电脑不断涌现，迅速普及；,网络化：移动通信和互联网成为当今世界发展最快、市场潜力最大、前景最诱人的两大业务，它们的增长速度都是任何预测家未曾预料到的，所以移动互联网可以预见将会创造怎样的经济神话； 智能化：目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动，但是人们希望计算机具有更多人的智能，比如：自行思考，智能识别，自动升级等等；,下一代计算机,随着计算机技术的发展，它已经成为我们工作上的工具，生活中的控制中心是必然的事情。计算机的未来充满了变数。性能的大幅度提高是不可置疑的，而实现性能的飞跃却有多种途径。不过性能的大幅提升并不是计算机发展的唯一路线，计算机的发展，还应当变得越来越人性化，同时也要注重环保等等。 基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究，这些计算机是：超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机等。,摩尔定律,微芯片上集成的晶体管数目每18个月翻一番，价格降低一半,第五代电子计算机,从20世纪80年代开始，日本、美国、欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。人们普遍认为新一代计算机应该是智能型的，它能模拟人的智能行为，理解人类自然语言，并继续向着微型化、网络化发展。综合起来大概有以下几个研究方向。 人工智能计算机 巨型计算机 多处理机 激光计算机 超导计算机 生物晶体计算机（DNA计算机） 量子计算,分子计算机 分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关为酶，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下，甚至在生物有机体中运行，并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高， 分子计算机完成一项运算，所需的时间仅为10微微秒，比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。,超导计算机,芯片的集成度越高，计算机的体积越小，这样才不致因信号传输而降低整机速度。但这样一来就使机器发热严重。解决问题的出路是研制超导计算机。电流在超导体中流过时，电阻为零，介质不发热。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应”，即由超导体绝缘体超导体组成的器件（约瑟夫逊结），当对其两端加电压时，电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质穿过，形成微小电流，而该器件两端的压降几乎为零。与传统的半导体计算机相比，使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指令所需的时间却要快100倍。 1999年11月，日本超导技术研究所与企业合作，制作了由1万个约瑟夫逊元件组成的超导集成电路芯片。据悉，该所定于2003年生产这种超导芯片，2010年前后制造出这种超导计算机。,纳米计算机,在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不能工作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体特性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如果在纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效应，可能就能克服上述困难。可以用不同的原理实现纳米级计算，目前已提出了四种工作机制： （1）电子式纳米计算技术； （2）基于生物化学物质与DNA的纳米计算机； （3）机械式纳米计算机； （4）量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。,光子计算机,光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，要有激光器、透镜和核镜。由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度可高达一万亿次。它的存贮量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。 目前，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，光子计算机将成为人类普遍的工具。,研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提出。1986年，贝尔实验室的戴维.米勒研制成功小型光开关，为同实验室的艾伦.黄研制光处理器提供了必要的元件。1990年1月，黄的实验室开始用光计算机工作。光计算机有全光学型和光电混合型。上述贝尔实验室的光计算机就采用了混合型结构。 相比之下，全光学型计算机可以达到更高的运算速度。研制光计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管”。现有的光学“晶体管”庞大而笨拙，若用它们造成台式计算机将有辆汽车那么大。因此，要想短期内使光学计算机实用化还很困难。,光子计算机,生物计算机 20世纪80年代以来，生物工程学家对人脑、神经元和感受器的研究倾注了很大精力，以期研制出可以模拟人脑思维、低耗、高效的第六代计算机生物计算机。用蛋白质制造的电脑芯片，存储量可以达到普通电脑的10亿倍。生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。,DNA计算机,1994年11月，美国南加州大学的阿德勒曼博士用DNA碱基对序列作为信息编码的载体，在试管内控制酶的作用下，使DNA碱基对序列发生反应，以此实现数据运算。阿德勒曼在科学上公布了DNA计算机的理论，引起了各国学者的广泛关注。 阿德勒曼的计算机的计算与传统的计算机不同，计算不再只是简单的物理性质的加减操作，而又增添了化学性质的切割、复制、粘贴、插入和删除等种种方式。 DNA计算机的最大优点在于其惊人的存储容量和运算速度：1立方厘米的DNA存储的信息比一万亿张光盘存储的还多；十几个小时的DNA计算，就相当于所有电脑问世以来的总运算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有电子计算机的一百亿分之一。 与传统的“看得见、摸得着”计算机不同，目前的DNA计算机还是躺在试管里的液体。它离开发、实际应用还有相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决。,DNA计算机,DNA计算机在与人对玩游戏中取胜,神经计算机,模仿人类大脑功能的神经计算机已经开发成功，它标志着电子计算机的发展进入第六代。第六代电子计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。与以逻辑处理为主的第五代计算机不同，它本身可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且它可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。以往的信息处理系统只能处理条理清晰，经络分明的数据。而人的大脑却具有能处理支离破碎，含糊不清信息的灵活性，第六代电子计算机将类似人脑的智慧和灵活性。电子计算机的发展已经进入了第六代，这种发展可能仅仅是刚起步，前途没有止境。 用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成了神经电脑。神经电脑除有许多处理器外，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，其信息处理速度和智能会大大提高。,其特点是可以实现分布式联想记忆并能在一定程度上模拟人和动物的学习功能。它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，具有能理解自然语言、声音、文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话，它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。,量子计算机,量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。 对此，有人曾经作过这样的比喻：假设一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过 量子计算机在外形上有较大差异，它没有盒式外壳；看起来像是一个被其它物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长期存储；但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景。 如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。这些计算机机异常敏感，哪怕是最小的干扰-比如一束从旁边经过的宇宙射线-也会改变机器内计算原子的方向，从而导致错误的结果。目前，量子计算机只能利用大约5个原子做最简单的计算。要想做任何有意义的工作都必须使用数百万个原子, Orion量子计算机, 用于将量子计算机冷却在5K 温度下的散热装置,集成了16个量子比特的计算机 , Orion量子计算机,纳米计算机 纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围, 质地坚固,有着极强的导电性, 能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位, 一个纳米等于10-9米, 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。现在纳米技术正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，其体积只有数百个原子大小，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。,1.2 计算机热点技术,1.2.1 中间件技术 中间件（Middleware）位于操作系统和应用程序之间，向各种应用软件提供服务，使不同的应用进程能在不同平台下通过网络相互通信。,42,1.2.2 普适计算,普适计算（Ubiquitous computing）是无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式，其目的是建立一个充满计算和通信能力的环境。在普适计算环境下，整个世界是一个网络的世界，为不同目的服务的计算和通信设备都连接在网络中，人们可以便捷的获得需要的信息和服务。,43,1.2.3 网格计算,网格计算（Grid computing）是利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”。网格计算的优势是具有超强的数据处理能力和充分利用网上闲置的处理能力。,44,1.2.4 云计算,云计算1 （cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。 云计算（Cloud computing）是分布式计算、网格计算、并行计算、网络存储及虚拟化计算机和网络技术发展融合的产物，或者说是它们的商业实现。 云计算主要经历了四个阶段才发展到现在这样比较成熟的水平，这四个阶段依次是电厂模式、效用计算、网格计算和云计算。 应用：云物联、云安全、云存储、云游戏、云计算,45,1.2.5 物联网,物联网（The Internet of Things）顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这里有两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是互联网的延伸和扩展；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。 最初在1999年提出：即通过射频识别（RFID）(RFID+互联网）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 在物联网应用中有三项关键技术：1、传感器技术2、RFID标签3、嵌入式系统技术,46,1.2.6 大数据,大数据（big data），指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。 大数据必然无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构。它的特色在于对海量数据进行分布式数据挖掘。但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术。 大 数据需要特殊的技术，以有效地处理大量的容忍经过时间内的数据。适用于大数据的技术，包括大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网和可扩展的存储系统。,47,48,大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些含有意义的数据进行专业化处理。换而言之，如果把大数据比作一种产业，那么这种产业实现盈利的关键，在于提高对数据的“加工能力”，通过“加工”实现数据的“增值”。 大数据的价值体现在以下几个方面： 1)对大量消费者提供产品或服务的企业可以利用大数据进行精准营销 2) 做小而美模式的中小微企业可以利用大数据做服务转型 3) 面临互联网压力之下必须转型的传统企业需要与时俱进充分利用大数据的价值,1.3 计算机文化,计算机文化现象 1.计算机文化 所谓计算机文化，就是人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本性变化而产生的一种崭新文化形态。 2. 计算机文化特征 计算机文化具有广泛的使用性、广泛的延展性、广泛的资源共享等特征。,49,1.3.2 计算机文化素养 根据目前国内外大多数计算机教育专家的意见，最能体现“计算机文化”知识结构和能力素养的，应当是思维方式以及与信息获取、信息分析和信息加工有关的基础知识和利用计算机解决实际问题的能力。,50,1.3.3 计算思维 1. 计算思维概念 计算思维是人们运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统以及理解人类行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。 2. 计算思维对计算机文化教育的影响,51,人工智能,人工智能是人造的智能,是计算机科学、逻辑学、认知科学交叉形成的一门科学。其基本目标就是使机器表现出类似人类的智慧,使机器具有类似人类的智能行为,使机器思维(Making Machine“Think”)。智能接口技术是研究如何使人们能够方便自然地与计算机交流。为了实现这一目标，要求计算机能够看懂文字、听懂语言、说话表达，甚至能够进行不同语言之间的翻译，而这些功能的实现又依赖于知识表示方法的研究。,因此，智能接口技术的研究既有巨大的应用价值，又有基础的理论意义。目前，智能接口技术已经取得了显著成果，文字识别、语音识别、语音合成、图像识别、机器翻译以及自然语言理解等技术已经开始实用化。,未来计算机猜想,未来的计算机，首先便携性将非常突出，大小估计只是我们现在的IPHONE那么大，但却具有计算机的所有功能。因为未来计算机将随时随地被大家所需要，他将集成我们生活中基本应用的所有需求。打电话、上网联通等功能都将是基本功能，经过加密的计算机还将是我们所有电子资料的储存器。,未来的计算机将不再有显示屏，移动设备越小，也就意味着计算机将变得越来越小，而越小的计算机可视面积必将会变得更小，超别携也就必须牺牲相应的可视面积。然而未来随着投影技术的发展，我们曾经在科幻电影里看到的，将计算机投影到空气中的技术将得到广泛应用。 我们像手机一样大小的计算机，将不再需要显示屏，而显示的内容将以一个非常小的镜头投影到空气之中，或者人们可以戴着特殊的眼镜，作为显示屏，那样我们不但能拥有超级小的主机，而且还能极大地提高视觉效果。,人机交互将不再依赖于鼠标和键盘，从01编码输入到键盘鼠标可谓是计算机人机交互的一种革新，但如果我们的计算机像手机那么小了，我们却还需要携带巨大的鼠标键盘，或者依靠像手机键盘那么小的输入设备极其困难的输入，那将对我们的应用造成非常大的麻烦。所以我们的科学家已经看到了这个问题，并将人机交互作为一个重点研究对象。这次IDF，从人机交互上，发布了两项新技术，一个是人们可以通过一根笔，在投影屏幕上只有点击控制计算机，同