1.1.1　计算机的发展

计算机从诞生开始经过70多年的迅猛发展，已经从早起的专门从事科学与计算的巨型设备，慢慢演化到在单位、学校、机构及家庭中普遍使用的个人计算机甚至今天生活中无处不在的智能手机、智能家居、智能手表等。随着岁月流转，计算机也在不断地成长着。到目前为止，计算机的发展经历了四代，正向第五代过渡。

1.第一代——电子管计算机

第一代（1946—1953年）是电子管计算机，它的基本元件是电子管，内存储器采用汞延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度只有每秒几千次至几万次基本运算，内存容量仅几千个字。程序设计处于最低级阶段，主要使用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。因此，第一代计算机体积大、耗电量大、速度低、造价高，且使用不便，仅用于一些军事和科研部门的科学计算。

除ENIAC外，著名的第一代机还有EDVAC、EDSAC、UNIVAC等。第一代商品计算机起源于美国国际商业机器公司（International Business Machine Corporation，IBM）。

EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机）是在ENIAC研制过程中，由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）提出的一种改进计算机，如图1-2所示，主要改进有两点：一是为了充分发挥电子元件的高速性能而采用二进制，而ENIAC使用的是十进制：二是把指令和数据一起存储起来，让机器能自动地执行程序，而ENIAC内部还不能存储程序。

2.第二代——晶体管计算机

第二代（1954—1964年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10多年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料研制成的磁芯存储器，外存储器有了磁盘、磁带等，运算速度提高到每秒几十万次基本运算，内存容量扩大到几十万字。同时设计软件技术有了较大发展，出现了ALGOL 60、FORTRAN、COBOL等高级程序语言，大大方便了计算机的使用。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小、耗电小、成本低、逻辑功能强，且使用方便、可靠性高。因此，它的应用从军事研究、科学计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域，并开始进入商业市场。

典型的第二代机有UNIVACII、贝尔的TRADIC（见图1-3），以及IBM的7090、7094、7044等。

3.第三代——集成电路计算机

第三代（1965—1970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，1958年夏，美国得州仪器公司制成了第一个半导体集成电路。集成电路是在几平方毫米的范围内集中了几十个乃至上百个电子元件组成的小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI）和中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI），磁芯存储器得到进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次到几百万次基本运算。计算机软件技术进一步发展，操作系统（见图1-4）正式形成，并出现多种高级程序设计语言，如人机对话的BASIC语言等。由于采用了集成电路，因此第三代计算机各方面的性能都有了极大提高：体积缩小、价格降低、功能增强、可靠性大大提高。它广泛应用于科学计算、数据处理、工业控制等方面，进入众多的科学领域。

典型的第三代机有IBM 360系列（见图1-5）、Honeywell 6000系列、富士通F230系列等。

4.第四代——大规模集成电路计算机

第四代（1971年至今）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）的出现，电子计算机的发展进入了第四代。第四代电子计算机的基本电子元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器代替了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。计算机软件进一步发展，操作系统等系统软件不断完善，应用软件的开发已逐步成为一个现代产业，计算机的应用已渗透到社会生活的各个领域。

第四代机的主流产品有IBM的4300系列、3080系列、3090系列以及IBM 9000系列。

5.新一代计算机

从20世纪80年代开始，日本、美国以及欧盟都相继开展了新一代计算机的研究。新一代计算机是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统，它不仅能进行一般信息处理，而且能面向知识处理，具有形式推理、联想、学习和解释能力，能帮助人类开拓未知领域和获取新的知识。新一代计算机的研究领域大体包括人工智能、系统结构、软件工程和支援设备等。新一代计算机的典型研究方向有：根本改变四代计算机依据事先安排的既定程序处理问题的模式，而根据用户提出的问题，自动选择内置在知识库中的规则，通过推理来处理问题的“知识信息处理系统（KIPS）智能计算机”；用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，并利用神经元结点的分布式存储和关联，模拟人脑活动的“神经网络计算机（NeuralNetwork Computer，NNC）”；使用由生物工程技术产生的蛋白质分子为主要原料的生物芯片，使之具有生物体自调节能力、自修复能力以及再生能力，更易于模拟人脑机制的“生物计算机（Biological Computer）”。新一代计算机的系统结构将突破传统的冯·诺依曼机器的结构和概念，实现高度并行处理。但新一代计算机的研究至今仍未有突破性进展。

随着计算机的发展，计算机的生产成本越来越低，体积越来越小，运算速度越来越快，耗电越来越少，存储容量越来越大，可靠性越来越高，软件配置越来越丰富，应用范围越来越广泛。尤其是处于信息技术前沿的超级计算机，已经在相当广泛的领域里体现出其超强的性能威力。超级计算机是通过联合使用大量芯片而创造的，有些超级计算机实质上就是由一大批个人计算机组成的计算机群。近年来较为优秀的超级计算机有IBM制造的16个机架的Blue Gene/L超级计算机（其内部拥有数以千计的处理芯片）它以每秒70.72万亿次浮点运算速度成为全球最强大的超级计算机，如图1-6所示。我国的超级计算机曙光4000A运算能力为11万亿次/秒（见图1-7），它使我国成为继美国、日本之后第三个跨越10万亿次计算机研发和应用的国家。