第2章 计算机发展史

第2章计算机发展史1946年之前古典计算机器时代1946～至今现代计算机时代1985年以后计算机发展的新方向——个人计算机与智能计算机计算机的发展历史2.1早期计算机1.算筹与算盘2.铺地锦与纳皮尔算筹3.对数与计算尺2.1.1早期计算工具1.机械式加法机法国人帕斯卡于17世纪制造出一种机械式加法机，它成为世界上第一台机械式计算机。

2.1.2机械式计算机2.机械式乘法机

1672年德国人莱布尼兹发明了乘法计算机。3.差分机和分析机

英国人查尔斯·巴贝奇研制出差分机和分析机，为现代计算机设计思想的发展奠定基础。在计算机发展史上，差分机和分析机占有重要的地位。分析机差分机4.手摇式机械计算机手摇计算机是1878年由一位在俄国工作的瑞典发明家奥涅尔制造的，这是一种齿数可变的齿轮计算机。德国的布龙斯维加公司，他们从1892年起投产，到1912年，年产量已高达2万台。图是1936年荷兰飞利浦公司制造的一种二进制手摇机械式计算机。5.畅销的机械计算机

1893年，德国人施泰格尔研制出一种叫作“大富豪”的计算机。这种计算机是在法国人伯列制作的计算机基础上发展而来的。图是第一台电穿孔卡片设备，配有计数器，打孔器，接触压力机和分类箱。6.制表机与IBM公司

1884年，美国人赫勒里特获得了制表机的第一项专利权。1896年，赫尔曼·赫勒里特在他的发明基础上，创办了当时著名的制表机公司。

1911年，赫勒里特又组建了一家计算制表记录公司，该公司到1924年改名为“国际商用机器公司”，这就是举世闻名的美国IBM公司。图是刚刚研制出来竖式穿孔卡电分类制表机的踌躇满志的赫尔曼·赫勒里特。7.

微分分析仪

1930年，美国麻省理工学院和哈佛大学的博士V.布什，在一些工程技术人员的协助下，试制出一台微分分析仪的样机。左图，布什发明的微分分析仪是一台用电机带动的计算机，运算装置由机械构成。右图2，布什博士和其他技术人员正在微分分析仪上进行工作。他们的操作与现代电子计算机的操作相去甚远。1.图灵提出重要概念

1936年，年仅24岁的英国人图灵发表了著名的《论应用于决定问题的可计算数字》一文，提出思考实验原理计算机概念。2.信息论的创始人香农首次阐明了布尔代数在开关电路上的作用

1938年，香农发表了著名的论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现2.1.3电子计算机准备3.德国科学家朱斯于20世纪30年代开始研制著名的Z系列计算机

1934年，德国人朱斯开始研制一种利用机械键盘的计算机。这与巴贝奇分析机原理相类似。4.K型计算机

K型计算机是美国人斯蒂比兹1937年11月发明的。4.M型系列计算机

1939年9月，美国贝尔实验室研制出M—1型计算机。1944年和1945年，贝尔实验室又先后研制出M—3与M—4型机。1949年，贝尔实验室又制造出了M—6型计算机。5.阿塔纳索夫提出了计算机的三原则

1939年10月，美国理论物理学家阿塔纳索夫与贝利合作，设计并试制成功一台世界上最早的电子数字计算机的样机，称为“ABC机”。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：（1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证精度；（2）利用电子技术来实现控制，逻辑运算和算术运算，以保证计算速度；（3）采用把计算功能和二进制数更新存贮的功能相分离的结构。6.维纳的计算机五原则（1）不是模拟式，而是数字式；（2）由电子元件构成，尽量减少机械部件；（3）采用二进制，而不是十进制；（4）内部存放计算表；（5）在计算机内部存贮数据。第一代计算机1946年~1957年：1944年到1945年间，冯∙诺依曼主持设计了

EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)方案，它明确了计算机由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。1946年，冯∙诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯等人在EDVAC方案的基础上，提出了《电子计算机逻辑设计初探》的设计报告，标志着电子计算机时代的真正开始。冯∙诺依曼是20世纪最伟大的全才之一6.英国的“巨人”计算机

1943年12月，第一台“巨人”计算机在英国投入运行。它破译密码的速度快，性能可靠，内部有1500只电子管，配备5个以并行方式工作的处理器，每个处理器以每秒5000个字符的速度处理一条带子上的数据。

1944年6月，第2台“巨人”计算机开始运转，它的速度比第一台“巨人”快4倍。7.美国的全机电式计算机

1944年，“马克”1号计算机问世，于哈佛大学投入运行。它是在美国麻省理工学院的物理学家艾肯的指导下，完成研制的。（左图）“马克”1号（MARKI）大型计算机于1944年8月7日投入运行（右图）这是艾肯于1949年9月研制成功的“马克”3号计算机。1.第一台电子计算机

1946年2月15日，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）宣告研制成功。“埃尼阿克”的成功，是计算机发展史上的一座纪念碑，是人类在发展计算技术的历程中，到达的一个新的起点。2.2电子计算机发展史2.2.1电子计算机发展史2.第一代电子计算机的发展

1949年5月，英国剑桥大学数学实验室根据冯·诺伊曼的思想，制成电子延迟存贮自动计算机“埃迪萨克”（EDSAC），这是第一台带有存储程序结构的电子计算机。从1953年起，美国的IBM公司开始批量生产应用于科研的大型计算机系列，从此电子计算机走上了工业生产阶段。下图是在第一代电子计算机中使用的磁鼓。磁鼓被用来作为电子计算机中数据与指令的存储器，它的使用是计算机发展史上重大的技术进步3.第二代电子计算机（晶体管）

1954年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。1958年，美国的IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机。1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的电子计算机IBM7090。1964年，中国制成了第一台全晶体管电子计算机441—B型。4.第三代电子计算机（集成电路）

1958年，世界上第一个集成电路诞生。1964年4月7日，美国IBM公司同时在14个国家，全美63个城市宣告，世界上第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功。5.第四代计算机（超大规模集成电路）

在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路。美国ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。6.第五代电子计算机（智能计算机）

第五代电子计算机是智能电子计算机，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。7.第六代神经计算机（模仿人类大脑功能）

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。神经电子计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，电脑仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆，视觉和声音识别能力。2.2.2计算机发展趋势1.计算机小型化2.计算机的网络化3.计算机的多样化1)光计算机的研制2)DNA电脑

3)利用蛋白质的开关特性开发出生物计算机

4)制造高速超导计算机5)研究中的量子计算机计算机小型化1.20世纪60年代的小型化

1960年，美国数据设备公司（DEC）生产了第一台速度为每秒3000次的小型集成电路计算机2.70年代的微机和个人电脑英特尔公司在1971年和1972年先后开始生产4004和8008微处理器，以及由它们构成的MCS-4和MCS-8微型计算机。

1976年，美国硅谷的乔布斯和沃兹匹克这两个年仅20岁的青年设计成功了“苹果”微型机，为计算机进入家庭首开先河。3.笔记本型电脑问世进入20世纪90年代以来，个人电脑开始向膝上机发展，笔记本型电脑尤其受人欢迎。4.袖珍计算机

1992年，美国一家计算机公司推出一种袖珍的计算机，大小与能装在口袋里的日历薄差不多。5.超小型智能化计算机电子计算机发展到第三代，开始出现了小型化倾向。计算机开始普及到商业管理领域，自动控制行业和科学单位等。6.介于大型计算机与个人电脑之间的工作站工作站是20世纪80年代迅速发展起来的一种计算机系统，介于高档PC机与小巨型机之间。工作站是一种新型高性能的计算机系统，它以其独特的计算能力，良好的用户界面，优异的图形功能和灵活的网络环境，成为计算机家族中的一名新成员。计算机网络发展趋势计算机网络发展的基本方向是开放、集成、高速、移动、智能以及分布式多媒体应用。21世纪计算机网络的发展趋势将有一下特点：①全民普惠，②高速，③海量存储，④多媒体网络，⑤网络无线化，⑥智能网络，⑦一体化和方便使用，⑧安全可靠，⑨应用服务。总之，未来的计算机网络是智能化、一体化、高效化、多元化、多功能化的网络。人工智能技术、智能计算机与计算机网络技术的结合与融合，形成具有更多思维能力的智能计算机网络，不仅是人工智能技术和智能计算机发展的必然趋势，也是计算机网络综合信息技术的必然发展趋势。当前，基于计算机网络系统的分布式智能决策系统、分布专家系统、分布知识库系统、分布智能代理技术、分布智能控制系统及智能网络管理技术等的发展，也都明显的体现了未来计算机网络的发展趋势。今后10～40年信息技术的首要任务是建设让大众便捷获取信息和知识、更有效地协同工作、生活品质更高的信息网络。近10年内网络技术经历宽带化、移动化和三网融合将走向基于IPv6的下一代互联网，2020年以后世界各国将逐步形成共识，共同构建后IP的新网络体系。宽带无线通信是未来网络体系的重要基础。无处不在的传感网将与空间、地面、接入等网络全面融合，实现人与人、机器与机器、人与机器之间任何时间、任何地点的通信联络。无处不在的传感网将与空间、地面、接入等网络全面融合，实现人与人、机器与机器、人与机器之间任何时间、任何地点的通信联络。在未来几十年中多模态人机交互将占据桌面、膝上和掌上系统，三维用户交互、实体交互、可交流情感的个性化交互、人机交互将得到普及。Kinect上的手势控制界面平板的交互方式超级服务器的发展需要支持各种各样的个性化应用负载，突破低能耗、海量并行、可靠性、低成本等技术障碍。互联网和信息服务的瓶颈将是支持语义、内容和文化的科学技术与普惠信息网络基础平台，及网上信息内容的总量，这是信息与知识产业的基础。21世纪未来几十年，中国将从e社会逐步进入u社会（后e社会时期），构建无所不在、称心如意、以用户为中心的信息网络体系（Universal,User,UbiquitousInformationNetworks）将成为我国的战略需求和信息科学发展的必然趋势，届时，人们将像使用电，或随时随地取用笔和纸一样方便（普适计算）。为构建这一网络体系，必须在以下几个方面展开工作：u网络体系的设计与实现、网络元器件和系统的变革性升级换代、信息与知识化网络结构的设计与实现、网络安全体系的设计与实现，使社会信息化总体上接近国外发达国家水平。2020年之前的通信技术的发展应符合三网融合、通信和新媒体融合的大趋势，实现宽带化、IP化、固定与移动通信的融合。在固网宽带接入方面，光进铜退的过程将持续进行，光纤到户将实现商业化普及。在移动通信方面和宽带无线接入方面，3G蜂窝移动通信在经过HSPA（High-SpeedPacketAccess，高速分组接入技术）之后向LTE(LongTermEvolution,长期演进)演进。在LTE的基础上采用新的频段发展IMT-Advanced（高级国际移动通信，4G），其标准制定工作已经启动，2020年前将开始实现商业化普及。IEEE发展的IEEE802.16e/m无线城域网宽带无线接入技术将与3G/LTE形成竞争和互补的关系，将进一步融入IMT-Advanced（4G）。在发展无线通信网的同时，还要发展广播电视频段的宽带无线多媒体（BWM），用以满足城市无线网络电视台的需求。苹果正在研究将NFC技术（近距离无线电通讯技术）加入到iOS设备中。想象一下将你的iPhone放到iPad旁边，而你直接可以在iPad上将iPhone中的图片和视频移动到iPad中，也可以将iPad中的多媒体文件移动到iPhone中。你甚至可以传送应用程序。多样化计算机探索

1.光计算机的研制

2.DNA电脑

3.高速超导计算机

4.量子计算机研究

古典时代：

在早期计算工具和算学理论的发明创造方面，中国曾取得极其辉煌的成就：2.3中国计算机发展史中国古代经典发明创造：中国古代经典发明创造：中国古代用阳、阴两爻构成的八卦，被认为是世界上最早的二进制表示法由八卦演变而来的算术罗经1.第一代电子管计算机研制(1958-1964年)

104机103机119机1958年，中国研制成功第一台小型电子管计算机2.第二代晶体管计算机研制(1965-1972年)109乙机加以改进，两年后又推出109丙机，为用户运行了15年，有效算题时间10万小时以上，在我国两弹试验中发挥了重要作用，被用户誉为“功勋机”。109机3.第三代基于中小规模集成电路的计算机研制(1973-80年代初)

1973年，北京大学与北京有线电厂等单位合作研制成功运算速度每秒100万次的大型通用计算机。

1983年中国科学院计算所完成我国第一台大型向量机－757机，计算速度达到每秒1000万次。757机4.第四代基于超大规模集成电路的计算机研制(80年代中期至今)

“银河”计算机从1978年开始研制，到1983年通过了国家鉴定。它是由中国国防科技大学自行设计的第一个每秒向量运算1亿次的巨型计算机系统。银河-I2.3.2赶超世界先进水平1.发展历史1)第一阶段，自20世纪60年代末到70年代末，主要从事大型机的并行处理技术研究2)第二阶段，自20世纪70年代末至80年代末，主要从事向量机及并行处理系统的研制

3)第三阶段，自20世纪80年代末至今，主要从事MPP系统及工作站集群系统的研制

4)经过几十年努力，我国高端计算机系统研制已取得了丰硕成果2.历史突破

1)天河一号2010年11月15日TOP500.org组织公布第36届全球超级计算机五百强排行榜，中国“天河一号A”摘得头名，这是中国历史上第一次在这项排行上获得第一。改进前的“天河一号”曾经连续位列第五和第七，目前，天河一号A坐落在天津的国家超级计算中心，主要用于大规模科学计算，是一套开放式访问系统。2）天河二号2013年11月18日国际TOP500组织公布全球超级计算机500强排行榜榜单，“天河二号”以比第二名美国的“泰坦”快近2倍的速度登上榜首。“天河二号”是由国防科学技术大学研制的超级计算机系统，由280人历时两年多研制完成，耗资约1亿美元。天河二号由16000个节点组成，每个节点有2颗基于IvyBridge-EXeonE52692处理器和3个XeonPhi，累计共有32000颗IvyBridge处理器和48000个XeonPhi，总计有312万个计算核心。天河二号以峰值速度（Rpeak）每秒54，902.4TFLOPS（万亿次浮点运算）、持续速度（Rmax）33，862.7TFLOPS，其主要用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、智慧城市、电子商务、云计算与大数据、数字媒体和动漫设计等多个领域。见图2-29。3）神威·太湖之光2016年6月20日国际TOP500组织发布榜单，“神威·太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首，不仅速度比第二名“天河二号”快出近两倍，其效率也提高3倍。神威·太湖之光超级计算机是由国家并行计算机工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机，其全部采用国产处理器，峰值速度达每秒12.54亿亿次。神威·太湖之光超级计算机由40个运算机柜和8个网络机柜组成。4块由32块运算插件组成的超节点分布其中。每个插件由4个运算节点板组成，一个运算节点板又含2块“申威26010”高性能处理器。一台机柜有1024块处理器，共有40960块处理器。3.未来之争2019年2月12日全球超级计算机前十出炉，Summit（美国）排行第一。由IBM和美国能源部橡树岭国家实验室推出的超级计算机Summit，其阵列中的单个服务器具有两个带有22个处理核心的IBMPower9CPU。有2,397,824个处理器，内存超过10PB的RAM，峰值速度200795TFlop/s。Sierra（美国）排行第二。其处理器1,572,480个，峰值速度119,193TFlop/s。其属于美国能源部的国家核安全局。主要用于机器学习和高分辨率建模和仿真的分类工作。