中国计算机硬件现状及其发展趋势

信息与计算科学系课程设计报告 1 摘要 随着信息技术的发展 计算机在我们的日常生活中扮演了越来越重要的作用 通 过现有的技术以及当今在计算机领域还在研究中的尖端科技分析 计算机的发展将趋 向超高速 超小型 平行处理和智能化 量子 光子 分子和纳米计算机将具有感知 思考 判断 学习及一定的自然语言能力 使计算机进入人工智能时代 这种新型计 算机将推动新一轮计算技术革命 并带动光互联网的快速发展 对人类社会的发展产 生深远的影响 关链词 计算机硬件发展趋势 新型计算机 信息与计算科学系课程设计报告 2 前言 计算机硬件发展主要体现在处理器和存储器上 体现了计算机硬件在计算机产业 中的发展 通过回顾计算机硬件的发展 探讨计算机硬件的发展趋势 从而使人们相 信计算机硬件的发展前景会更加灿烂 计算机硬件是指计算机系统中由电子 机械和光电元件等组成的各种物理装置 的总称 这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物 质基础 简言之 计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据 以及执行程序把数据 加工成可以利用的形式 计算机硬件基本构件 虽然计算机的制造技术已经发生了极大的变化 但在基 本的硬件结构方面 一直沿袭着冯 诺伊曼的传统框架 即计算机硬件系统由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备五大基本构件组成 1 运算器 运算器是计算机对数据进行加工处理的部件 包括算 加 减 乘 除等 和逻辑运算 与 或 非 异或 比较等 2 控制器 控制器负责从存储器中取出指令 并对指令进行译码 根据指令的要 求 按时间的先后顺序 负责向其它各部件发出控制信号 保证各部件协调一致地工 作 一步一步地完成各种操作 控制器主要由指令寄存器 译码器 程序计数器 操 作控制器等组成 3 存储器 存储器是计算机系统中的记忆设备 用来存放程序和数据 计算机中 的全部信息 包括输入的原始数据 计算机程序 中间运行结果和最终运行结果都保 存在存储器中 4 输入设备 输入设备是给计算机输入信息的设备 它是重要的人机接口 负责 将输入的信息转换成计算机能识别的二进制代码 送入存储器保存 计算机中常用的 输入设备是键盘和鼠标 5 输出设备 输入输出接口是外部设备与中央处理器之间的缓冲装置 负责电气 性能的匹配和信息格式的转换 计算机常用的输出设备为显示器和打印机 计算机硬件的发展以用于构建计算机硬件的元器件的发展为主要特征 而元器 件的发展与电子技术的发展紧密相关 每当电子技术有突破性的进展 就会促进计算 机硬件的一次重大变革 因此 计算机硬件发展史中的 代 通常以其所使用的主要 信息与计算科学系课程设计报告 3 器件 即电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路和超大规模集成电路来划分 中国计算机硬件体系结构的发展主要体现在两个方面的发展 一是研制新型计 算机体系结构 提高并行计算和处理能力 并特别体现在智能体系结构的理论和应用 方面 其次以硬件或固件为发展主线的大规模集成电路的研制和开发 而这里主要从 处理器 存储器和外围设备三方面的发展现状和发展趋势进行探讨 中国现代计算机硬件中 外围设备的价值一般已超过计算机硬件子系统的一半 以上 其技术水平在很大程度上决定着计算机的技术面貌 外围设备技术的综合性很 强 既依赖于电子学 机械学 光学 磁学等多门学科知识的综合 又取决于精密机 械工艺 电气和电子加工工艺以及计量的技术和工艺水平等 外围设备包括辅助存储器和输入输出设备两大类 辅助存储器包括磁盘 磁鼓 磁带 激光存储器 海量存储器和缩微存储器等 输入输出设备又分为输入 输出 转换 模式信息处理设备和终端设备 在这些品种繁多的设备中 对计算机技术面 貌影响最大的是磁盘 终端设备 模式信息处理设备和转换设备等 中国计算机硬件产业包括两大部门 即计算机制造业和计算机服务业 后者又 称为信息处理产业或信息服务业 计算机产业是一种省能源 省资源 附加价值高 知识和技术密集的产业 对于国民经济的发展 国防实力和社会进步均有巨大影响 因此 不少国家采取促进计算机产业兴旺发达的政策 信息与计算科学系课程设计报告 4 中国现代计算机硬件的诞生和发展 现代计算机问世之前 计算机的发展经历了机械式计算机 机电式计算机和萌芽 期的电子计算机三个阶段 中国电子数字计算机问世以后 模拟计算机仍然继续有所 发展 并且与数字计算机相结合而产生了混合式计算机 模拟机和混合机已发展成为 现代计算机的特殊品种 即用在特定领域的高效信息处理工具或仿真工具 20 世纪中期以来 计算机硬件一直处于高速度发展时期 计算机由仅包含硬件 发展到包含硬件 软件和固件三类子系统的计算机系统 计算机系统的性能 价格比 平均每 10 年提高两个数量级 计算机种类也一再分化 发展成微型计算机 小型计 算机 通用计算机 包括巨型 大型和中型计算机 以及各种专用机 如各种控制计 算机 模拟 数字混合计算机 等 在中国现代计算机硬件中 外围设备的价值一般已超过计算机硬件子系统的一半 以上 其技术水平在很大程度上决定着计算机的技术面貌 外围设备技术的综合性很 强 既依赖于电子学 机械学 光学 磁学等多门学科知识的综合 又取决于精密机 械工艺 电气和电子加工工艺以及计量的技术和工艺水平等 中国计算机硬件是一种按程序自动进行信息处理的通用工具 它的处理对象是信 息 处理结果也是信息 利用计算机解决科学计算 工程设计 经营管理 过程控制 或人工智能等各种问题的方法 都是按照一定的算法进行的 这种算法是定义精确的 一系列规则 它指出怎样以给定的输入信息经过有限的步骤产生所需要的输出信息 计算机硬件的核心技术是微电子技术和光电子技术 1995 年 0 35 m 设计规则 已经成为微电子技术的商用技术 1998 年将普遍使用 0 25 m 设计规则 由此 CPU 的集成度已可达单片 1000 万个晶体管以上 工作频率已经超过 600MHz 256MbDRAM 芯片则已成为主流存储器件 中档 PC 的主存储器的容量已超过 32MB 随着微电子技 术继续飞速发展 主题的体积越来越小 速度越来越高 容量越来越大功耗越来越低 可靠性越来越高 输入设备和输出设备则朝高性能 多样化 智能化和多媒体方向发 展 辅助存储器则继续朝大容量 高速度方向发展 自从计算机诞生以来 硬件在计 算机系统成本中一直占主要比重 直到进入 80 年代才开始发生明显的变化 由于软 件在计算机系统中的地位日趋重要 其开发成本也越来越高 从而使得它在计算机系 统成本中的比重迅速提高 进入 90 年代已逐渐与硬件平分秋色 从计算机硬件角度 信息与计算科学系课程设计报告 5 看 主机部分无论从重要性还是从成本看 其主导地位一直保持到 70 年代中期 后 来 作为计算机的 手足 感官 和 数据仓库 的外围设备重重要性日益增长 新型高性能品种不断涌现 加上数据库技术的成熟要求越来越大的辅助存储器 从而 使得外围设备在硬件成本中的比重越来越大 特别是由于输入设备和输出设备的发展 人同计算机的界面越来越友好 起初人们只能用枯燥的数字 文字同计算机打交道 80 年代图形用户接口 GUI 技术的成熟将人们带进了 图文并茂 的多媒体时代 人们不再感到计算机只是一部冰冷的机器了 需要指出的是 外围设备中已越来越多 地嵌入微处理器和软件进行控制以达到智能化和高性能的目标 另一方面也常常将原 属外围设备或外围设备控制器的部分功能直接设计进 CPU 以降低成本和改善性能 下面 就让我们来看看中国计算机硬件的发展趋势 未来的计算机技术将向超高速 超小型 平行处理 智能化的方向发展 尽管受 到物理极限的约束 采用硅芯片的计算机的核心部件 CPU 的性能还会持续增长 作为 Moore 定律驱动下成功企业的典范 Inter 预计 2001 年推出 1 亿个晶体管的微处理器 并预计在 2010 年推出集成 10 亿个晶体管的微处理器 其性能为 10 万 MIPS 1000 亿 条指令 秒 而每秒 100 万亿次的超级计算机将出现在本世纪初出现 超高速计算 机将采用平行处理技术 使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理 这是改进计算机结构 提高计算机运行速度的要害技术 同时计算机将具备更多的智能成分 它将具有多种感知能力 一定的思考与判定 能力及一定的自然语言能力 除了提供自然的输入手段 如语音输入 手写输入 外 让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现 虚拟现实技术是这一领域发展的 集中体现 传统的磁存储 光盘存储容量继续攀升 新的海量存储技术趋于成熟 新型的存 储器每立方厘米存储容量可达 10TB 以一本书 30 万字计 它可存储约 1500 万本书 信息的永久存储也将成为现实 千年存储器正在研制中 这样的存储器可以抗干扰 抗高温 防震 防水 防腐蚀 如是 今日的大量文献可以原汁原味保存 并流芳百 世 硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越近其物理极限 为此 世界各 国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机 计算机从体系结构的变革到器件与技术 革命都要产生一次量的乃至质的飞跃 新型的量子计算机 光子计算机 生物计算机 信息与计算科学系课程设计报告 6 纳米计算机等将会在 21 世纪走进我们的生活 遍布各个领域 趋势 1 更小巧 历史的趋势告诉我们 硬件的发展 就是在不断地追求更为小 巧 体积上的优势使你可以方便地将它们带到任何地方 再以后 它们甚至可以缩小 到内置在你的衣服中或者皮肤里 实现这个梦想的关键在于生产速度更快 体积更 小 价格更低廉的电脑芯片 纳米技术的运用可以使这些电器产品和数码产品更加智 能化 功能更多 另一方面 掌上电脑的数据处理运算性能将大大改善 真正成为方 便随身携带的 口袋电脑 趋势 2 更个性 未来的电脑在交互式软件和芯片方面都会有很大的改进 将来 的电脑可以和我们进行语音交流 这一点也不奇怪 目前的所谓语音识别软件还只 能识别我们的声音 以后的这类软件甚至无需我们发声 它就可以读懂我们的 唇语 将来的语音界面会训练电脑知道 当用户把脸转向它时 它就懂得主人要下命令了 而当人离开时 这种待命状态就自行结束 专业人士相信这种训练有素的 电子大脑 将在随后的 5 至 10 年中得到发展 此外 更有个性的计算机将基于更可靠的个人认 证系统 例如手纹 声控或虹膜 这样便能最大程度地保障用户的隐私不受侵犯 趋势 3 更聪明 随着计算机数据处理运算能力的不断进步 个人电脑将会变得 越来越聪明 通过持续提升的硬件性能和更加卓有成效的控制软件 能够主动学习的 PC 将终有诞生之日 制造出有人一样智慧的 智能人 还存在着许多的技术障碍 但 研究出 聪明的 PC 却大有希望 国际象棋特级大师卡斯帕罗夫 1997 年在 人机大 战 中输给电脑 深蓝 的情景还让人记忆犹新 未来的聪明 PC 也更能为主人带 来便利 它将能够根据主人的每次行动逐渐理解他的需求 把握他的心意 进而变被 动地找寻信息为主动地截获信息 趋势 4 更廉价 去年 11 月 联合国秘书长安南和美国主要 IT 专家尼戈洛庞帝 在突尼斯发布了 100 美元笔记本电脑原型 这种翠绿色电脑是为贫穷国家的千百万儿 童而设计的 这种 发条式笔记本 电耗很低 100 美元电脑的设计方案是 500MHz 处理器 1GB 内存和创新的双模式显示 既有全色彩显示模式 也有阳光下可读的 黑白显示模式 尼氏说 显示器使电脑看上去像本电子书 又像是电脑 该笔记本的 电源可用外接电源 电池 或用连接在电脑上的发条曲轴自行发电 因为许多国家的 边远地区没有电 趋势 5 更 无线 无限 即在任何地点与任何机器交流 目前 随着互联网 信息与计算科学系课程设计报告 7 的普及 办公桌面上的个人电脑的各种功能正被分发 转移并融化到人们随身携带的 PDA 手表 驾乘的汽车之中 联网的电脑可以控制电灯 电视 立体声音响 安全 系统 空调 暖气 甚至草坪喷淋装置 所有的控制信号通常都可以自动发出 个人 电脑的网络化还意味着家庭网络与邻近网络 短程网络 办公网络与远距离通讯网络 之间毫无缝隙的彼此融合 我们的 PC 将不只是一台个人电脑 它的功能早已延伸到 了更加深邃的领域 成为全新的个人通讯电脑 一台集控制 计算 存储 沟通和娱 乐全功能为一体的超级工具箱 只要开启这个魔盒 每个人都可在浴室中 办公室里 游泳池边 在任何地点与任何同类或机器实现交流 趋势 6 更普遍 目前 很多电脑厂商都认为 PC 发展的大方向将是一个无所不 在的运算环境 越来越多的普通家用电器都带有 PC 的功能 用户可以在家中处理财 务或是上网 未来的 PC 将通过各种具有电脑能力的家电产品 如以机顶盒的方式结 合电视 音响而建构出无所不在的 PC 环境 而在公共场合中 具有运算能力的主机 服务器将遍布在网络架构形成一种可移动的 无线的运算环境 使用者只需携带可随 身的 IT 设备 不需做任何连接 利用红外线的传输方式 即可随时从公共场合的服 务器主机上接收自己的电子邮件等重要信息 趋势 7 更时尚 在未来社会 产品的设计同产品本身的功能同样重要 只有更 时尚的产品才能抓住消费者的心 未来的 PC 在外观设计上将会有重大突破 事实上 苹果公司的 iMac 设计就是未来发展趋势之一 产品呈一体化 并且可以通过显示 屏旋转来实现不同角度操作 同时 为了使 PC 在外观上更具魅力 制造商们正在寻 求新的材料以减少 PC 机的塑料感 例如 苹果公司目前已经引进了钛金和铝金材料 计算机硬件在各行各业中的广泛应用 常常产生显著的经济效益和社会效益 从而引 起产业结构 产品结构 经营管理和服务方式等方面的重大变革 在产业结构中已出 观了计算机制造业和计算机服务业 以及知识产业等新的行业 计算机硬件还是人 们的学习工具和生活工具 借助家用计算机 个人计算机 计算机网 数据库系统和 各种终端设备 人们可以学习各种课程 获取各种情报和知识 处理各种生活事务 如订票 购物 存取款等 甚至可以居家办公 越来越多的人的工作 学习和生活 中将与计算机发生直接的或间接的联系 普及