电子计算机的起源与发展

电子计算机 的 起源与发展 什么是计算机 计算机 computer 俗称电脑 是一种用于高速计算的电子计算机器 可以进行数值计算 又可以进行逻辑计算 还具有存储记忆功能 是能够按照程序运行 自动 高速处理海量数据的现代化智能电子设备 由硬件系统和软件系统所组成 没有安装任何软件的计算机称为裸机 可分为超级计算机 工业控制计算机 网络计算机 个人计算机 嵌入式计算机五类 较先进的计算机有生物计算机 光子计算机 量子计算机等 计算机的应用 计算机发明者约翰 冯 诺依曼 计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一 对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响 并以强大的生命力飞速发展 它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域 已形成了规模巨大的计算机产业 带动了全球范围的技术进步 由此引发了深刻的社会变革 计算机已遍及一般学校 企事业单位 进入寻常百姓家 成为信息社会中必不可少的工具 Developmentprocess 约翰 冯 诺依曼 科学全才 冯 诺依曼 JohnvonNeumann 1903 1957 20世纪最重要的数学家之一 在现代计算机 博弈论 核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一 被后人称为 计算机之父 和 博弈论之父 1 原籍匈牙利 布达佩斯大学数学博士 先后执教于柏林大学和汉堡大学 1930年前往美国 后入美国籍 历任普林斯顿大学 普林斯顿高级研究所教授 美国原子能委员会会员 美国全国科学院院士 早期以算子理论 共振论 量子理论 集合论等方面的研究闻名 开创了冯 诺依曼代数 第二次世界大战期间为第一颗原子弹的研制作出了贡献 为研制电子数字计算机提供了基础性的方案 1944年与摩根斯特恩 OskarMorgenstern 合著 博弈论与经济行为 是博弈论学科的奠基性著作 晚年 研究自动机理论 著有对人脑和计算机系统进行精确分析的著作 计算机与人脑 主要著作有 量子力学的数学基础 1926 计算机与人脑 1958 经典力学的算子方法 博弈论与经济行为 1944 连续几何 1960 等 第一台电子多用途计算机 ENIAC 产生背景 研制电子计算机的想法产生于第二次世界大战进行期间 当时激战正酣 各国的武器装备还很差 占主要地位的战略武器就是飞机和大炮 因此研制和开发新型大炮和导弹就显得十分必要和迫切 为此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 美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张射表以便对导弹的研制进行技术鉴定 千万别小瞧了这区区6张射表 它们所需的工作量大得惊人 事实上每张射表都要计算几百条弹道 而每条弹道的数学模型你知道是什么吗 一组非常复杂的非线性方程组 这些方程组是没有办法求出准确解的 因此只能用数值方法近似地进行计算 不过即使用数值方法近似求解也不是一件容易的事 按当时的计算工具 实验室即使雇用200多名计算员加班加点工作也大约需要二个多月的时间才能算完一张射表 在 时间就是胜利 的战争年代 这么慢的速度怎么能行呢 恐怕还没等先进的武器研制出来 败局已定 为了改变这种不利的状况 当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利 JohnMauchly 于1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想 高速电子管计算装置的使用 期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度 美国军方得知这一设想 马上拨款大力支持 成立了一个以莫希利 埃克特 JohnEckert 为首的研制小组开始研制工作 预算经费为15万美元 这在当时是一笔巨款 要不是为了战争 谁能舍得出这么大的钱 虽说战争万恶 但未始不偶尔促进科技的发展 让研制工作十分幸运的是 当时任弹道研究所顾问 正在参加美国第一颗原子弹研制工作的数学家冯 诺依曼 v nweumann 1903 1957 美籍匈牙利人 带着原子弹研制 1944年 过程中遇到的大量计算问题 在研制过程中期加入了研制小组 原本的ENIAC存在两个问题没有存储器且它用布线接板进行控制 甚至要搭接几天 计算速度也就被这一工作抵消了 1945年 冯 诺依曼和他的研制小组在共同讨论的基础上 发表了一个全新的 存储程序通用电子计算机方案 EDVAC ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer 在此过程中他对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献 从而保证了计算机的顺利问世 虽然ENIAC体积庞大 耗电惊人 运算速度不过几千次 现在世界上最快的超级计算机是由中国出资的天河二号 运行速度为每秒5 49亿亿次浮点计算 但它比当时已有的计算装置要快1000倍 而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算 逻辑运算和存储数据的功能 ENIAC宣告了一个新时代的开始 从此科学计算的大门也被打开了 ENIAC 世界上第一台二进制原理计算机 点击观看视频 冯 诺依曼结构计算机 EDVAC 说到计算机的发展 就不能不提到匈牙利科学家冯诺依曼 曾在德国柏林大学任教 从20世纪初 物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构 人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰 所以 那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力 20世纪30年代中期 匈牙利科学家冯诺依曼大胆地提出 抛弃十进制 采用二进制作为数字计算机的数制基础 同时 他还说预先编制计算程序 然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作 冯 诺依曼计算机 vonNeumannmachine 使用冯诺依曼体系机构的电子数字计算机 1945年6月 冯 诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念 StoredProgramConcept 这是所有现代电子计算机的模板 被称为 冯 诺依曼结构 按这一结构建造的电脑称为存储程序计算机 StoredProgramComputer 又称为通用计算机 冯 诺依曼计算机主要由运算器 控制器 存储器和输入输出设备组成 它的的特点是 程序以二进制代码的形式存放在存储器中 所有的指令都是由操作码和地址码组成 指令在其存储过程中按照执行的顺序 以运算器和控制器作为计算机结构的中心等 冯诺依曼计算机广泛应用于数据的处理和控制方面 但是存在一定的局限性 第一台使用晶体管线路的计算机 晶体管计算机是第二代电子计算机 在20世纪50年代之前第一代 计算机都采用电子管作元件 电子管元件在运行时产生的热量太多 可靠性较差 运算速度不快 价格昂贵 体积庞大 这些都使计算机发展受到限制 于是 晶体管开始被用来作计算机的元件 晶体管不仅能实现电子管的功能 又具有尺寸小 重量轻 寿命长 效率高 发热少 功耗低等优点 使用晶体管后 电子线路的结构大大改观 制造高速电子计算机就更容易实现了 第一代计算机 电子管计算机 使用的是 定点运算制 参与运算数的绝对值必须小于1 而第二代计算机 晶体管计算机 增加了浮点运算 使数据的绝对值可达2的几十次方或几百次方 计算机的计算能力实现了一次飞跃 同时 用晶体管取代电子管 使得第二代计算机体积减小 寿命大大延长 价格降低 为计算机的广泛应用创造了条件 晶体管计算机 集成电路 点击观看视频 集成电路 integratedcircuit 是一种微型电子器件或部件 采用一定的工艺 把一个电路中所需的晶体管 电阻 电容和电感等元件及布线互连一起 制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上 然后封装在一个管壳内 成为具有所需电路功能的微型结构 其中所有元件在结构上已组成一个整体 使电子元件向着微小型化 低功耗 智能化和高可靠性方面迈进了一大步 它在电路中用字母 IC 表示 集成电路发明者为杰克 基尔比 基于锗 Ge 的集成电路 和罗伯特 诺伊思 基于硅 Si 的集成电路 当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路 是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件 它是经过氧化 光刻 扩散 外延 蒸铝等半导体制造工艺 把构成具有一定功能的电路所需的半导体 电阻 电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上 然后焊接封装在一个管壳内的电子器件 其封装外壳有圆壳式 扁平式或双列直插式等多种形式 集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术 主要体现在加工设备 加工工艺 封装测试 批量生产及设计创新的能力上 何为集成电路 集成电路 IntegratedCircuit 简称IC 是20世纪60年代初期发展起来的一种新型半导体器件 它是经过氧化 光刻 扩散 外延 蒸铝等半导体制造工艺 把构成具有一定功能的电路所需的半导体 电阻 电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上 然后焊接封装在一个管壳内的电子器件 其封装外壳有圆壳式 扁平式或双列直插式等多种形式 集成电路或称微电路 microcircuit 微芯片 microchip 芯片 chip 在电子学中是一种把电路 主要包括半导体装置 也包括被动元件等 小型化的方式 并通常制造在半导体晶圆表面上 前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜 thin film 集成电路 另有一种厚膜 thick film 混成集成电路 hybridintegratedcircuit 是由独立半导体设备和被动元件 集成到衬底或线路板所构成的小型化电路 本文是关于单片 monolithic 集成电路 即薄膜集成电路 集成电路具有体积小 重量轻 引出线和焊接点少 寿命长 可靠性高 性能好等优点 同时成本低 便于大规模生产 它不仅在工 民用电子设备如收录机 电视机 计算机等方面得到广泛的应用 同时在军事 通讯 遥控等方面也得到广泛的应用 用集成电路来装配电子设备 其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍 设备的稳定工作时间也可大大提高 现代电脑 未来科技 光子计算机 量子计算机 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 它由激光器 光学反射镜 透镜 滤波器等光学元件和设备构成 靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理 以光子代替电子 光运算代替电运算 光的并行 高速 天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强 具有超高运算速度 光子计算机还具有与人脑相似的容错性 系统中某一元件损坏或出错时 并不影响最终的计算结果 光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小 光传输 转换时能量消耗和散发热量极低 对环境条件的要求比电子计算机低得多 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 量子计算机 量子计算机 quantumcomputer 是一种全新的基于量子理论的计算机 遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算 存储及处理量子信息的物理装置 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究 量子计算机应用的是量子比特 可以同时处在多个状态 而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态 量子计算机 早先由理查德 费曼提出 一开始是从物理现象的模拟而来的 可他发现当模拟量子现象时 因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大 一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观 甚至是不切实际的天文数字 理查德 费曼当时就想到 如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象 则运算时间可大幅度减少 量子计算机的概念从此诞生 量子计算机 或推而广之 量子资讯科学 在1980年代