計(jì)算機(jī)信息歷史研究

吳沐恩

摘 要：計(jì)算機(jī)是一種能夠按照程序自動(dòng)計(jì)算、處理、儲(chǔ)存記憶的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備，作為20世紀(jì)影響力最大的科技發(fā)明之一，計(jì)算機(jī)對人類生活帶來深遠(yuǎn)變革，帶動(dòng)全球科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級。本文對計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史進(jìn)行詳細(xì)回顧，同時(shí)論述計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用領(lǐng)域，力圖把握計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段和技術(shù)創(chuàng)新趨勢，以此為基礎(chǔ)展望未來計(jì)算機(jī)發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 發(fā)展歷史 應(yīng)用領(lǐng)域

中圖分類號：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0004-02

1 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史回顧

計(jì)算機(jī)技術(shù)的確切誕生時(shí)間在20世紀(jì)40年代，美國賓夕法尼亞大學(xué)教授John W.Mauchly和J Presper Eckert共同為美國陸軍軍械部阿伯丁彈道研究室研制了一臺用于彈道軌跡計(jì)算的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它就是全世界第一臺真正意義上的計(jì)算機(jī)“ENIAC”?！癊NIAC”體積龐大，重量超過30t，占地超過170m2，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括18000只電子管，7000只電阻，10000只電容，50萬條電線和超過6000個(gè)開關(guān)，據(jù)悉其每小時(shí)耗電量達(dá)140kW，運(yùn)行速度為5000次/s，被視為“電腦時(shí)代的開端”。以“ENIAC”為代表的計(jì)算機(jī)屬于第一代計(jì)算機(jī)，其對早期電動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行改革后以電子管作為主要元器件，在程序編寫上全部采用機(jī)器語言，雖然能夠有效提高計(jì)算速度但不利于操作和修改，同時(shí)龐大的體積和復(fù)雜的構(gòu)造對其廣泛投入應(yīng)用帶來不便。

20世紀(jì)50年代以來全球電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，晶體管取代電子管成為計(jì)算機(jī)主要元件，晶體管所需空間明顯小于電子管，同時(shí)自身構(gòu)件消耗和耗電量極低，無需預(yù)熱即可進(jìn)行使用，運(yùn)用晶體管的計(jì)算機(jī)體積更小且性能得到增強(qiáng)。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺晶體管計(jì)算機(jī)“TRADIC”，1955年美國首次在洲際導(dǎo)彈上使用小型晶體管計(jì)算機(jī)，1958年美國IBM公司研制出全球第一臺全部使用晶體管元件的計(jì)算機(jī)RCA501型。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)稱為第二代計(jì)算機(jī)，其采用快速磁心儲(chǔ)存器，每秒能夠完成15000次加法運(yùn)算或50000次乘法運(yùn)算，還具有使用壽命長，維護(hù)保養(yǎng)簡單等優(yōu)勢。我國于1965年研制出中國第一臺大型晶體管計(jì)算機(jī)“109乙機(jī)”，1967年研制出技術(shù)升級的“109丙機(jī)”，為我國國防科技發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

第三代計(jì)算機(jī)又稱集成電路計(jì)算機(jī)，原本各自獨(dú)立的電阻、電容、晶體管等元件被組成在一個(gè)元件內(nèi)構(gòu)成計(jì)算機(jī)主要功能部件，主儲(chǔ)存器為半導(dǎo)體儲(chǔ)存器，運(yùn)算速度提升至幾十萬次每秒，應(yīng)用范圍擴(kuò)大至信息管理、數(shù)值計(jì)算、工作自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）等。集成電路取代晶體管后計(jì)算機(jī)的體積進(jìn)一步縮小，內(nèi)部元件耗能更小且造價(jià)成本更低，為計(jì)算機(jī)應(yīng)用融入人們生產(chǎn)和生活領(lǐng)域奠定技術(shù)基礎(chǔ)。我國在1973年至80年代初期開始中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)研究，1973年北京大學(xué)、北京有線電廠等單位聯(lián)合研制出運(yùn)算速度達(dá)100萬次/s的大型通用計(jì)算機(jī)，1974年清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)出DJS-130小型計(jì)算機(jī)和DJS-140小型機(jī)，在集成電路計(jì)算機(jī)研制方面開創(chuàng)系列化生產(chǎn)之路。

集成電路技術(shù)在20世紀(jì)60年代末和70年代初得到迅猛發(fā)展，眾多元件能夠集中在面積極小的硅晶片上形成大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，由此推動(dòng)形成第四代計(jì)算機(jī)。美國研制的ILLIAC-IV計(jì)算機(jī)是全球首臺以大規(guī)模集成電路為儲(chǔ)存單元和邏輯元件的計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入第四代階段，1974年英國曼徹斯特大學(xué)研制的ICL2900計(jì)算機(jī)、1975年美國阿姆爾公司研制的470V/6型計(jì)算機(jī)、1976年日本富士通公司研制的M-190型計(jì)算機(jī)是第四代計(jì)算機(jī)中較有代表性的系列。我國從80年代中期開始第四代計(jì)算機(jī)的研制，主要采用Z80、X86和6502芯片在微型機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行科研，雖然起步時(shí)間晚于英美等發(fā)達(dá)國家，但以后來居上的姿態(tài)取得不凡成果。第四代計(jì)算機(jī)經(jīng)歷過4個(gè)發(fā)展時(shí)期，1971—1973年間以四位微型機(jī)和八位微型機(jī)為主，1973—1977年間在MCS-80型之外出現(xiàn)TRS-80型和APPLE-II型，1978—1983年間十六位微型機(jī)得到快速發(fā)展，1983年后出現(xiàn)三十二位微型機(jī)，計(jì)算機(jī)的核心性能不斷得到優(yōu)化。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)研制出現(xiàn)兩極化的發(fā)展趨勢，一方面微型機(jī)逐漸向個(gè)人應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，另一方面大型機(jī)向?qū)I(yè)化、巨型化方向發(fā)展，逐漸出現(xiàn)每秒運(yùn)算量超過一億次的超級計(jì)算機(jī)。

1981年日本率先宣布開始研制第五代計(jì)算機(jī)，所謂第五代計(jì)算機(jī)指信息采集、處理、儲(chǔ)存功能智能化，在處理一般數(shù)據(jù)以外具有推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋等知識處理能力的計(jì)算機(jī)。在性能提高的基礎(chǔ)上其應(yīng)用范圍和涉及技術(shù)領(lǐng)域明顯擴(kuò)大，問題推理、知識庫管理和智能化人機(jī)接口是第五代計(jì)算機(jī)的三大主要結(jié)構(gòu)，尤其是智能化人機(jī)接口能夠運(yùn)用人類習(xí)慣的方式進(jìn)行信息傳輸和處理，以自然語言作為最高級用戶語言的模式使非專業(yè)人員也能順暢操作計(jì)算機(jī)。不可否認(rèn)，第五代計(jì)算機(jī)的研制帶動(dòng)軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)光學(xué)器件、光纖通信技術(shù)等一系列硬件設(shè)施的創(chuàng)新，極大地改變了人類生活方式。

目前人類已經(jīng)進(jìn)入第六代計(jì)算機(jī)—生物計(jì)算機(jī)的研制時(shí)代，通過生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子制造生物芯片，使得信息波在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)方式貼近人體大腦運(yùn)作方式，從而具有類似于人體大腦的適應(yīng)力和判斷力。1994年美國運(yùn)用生物計(jì)算機(jī)原理成功解決虛構(gòu)的7個(gè)城市間最佳道路走向，2000年美國采用最新表面化學(xué)技術(shù)極大簡化了生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算程序，為生物計(jì)算機(jī)真正問世掃清障礙，2004年我國首次在試管中完成DNA計(jì)算機(jī)雛形研究工作，在實(shí)驗(yàn)中將自動(dòng)機(jī)與表面DNA計(jì)算相結(jié)合，表明我國的生物計(jì)算機(jī)研究取得重大進(jìn)展。

2 計(jì)算機(jī)在當(dāng)代的應(yīng)用領(lǐng)域

計(jì)算機(jī)在不斷更新?lián)Q代中已經(jīng)由體積龐大、操作復(fù)雜的科技產(chǎn)品成為與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的“必需品”，隨著社會(huì)發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用走進(jìn)千家萬戶、千行萬業(yè)，深刻改變了人們的生活、學(xué)習(xí)和工作方式。數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來最基礎(chǔ)的應(yīng)用，從生活層面來看，財(cái)務(wù)賬單錄入、人事管理、圖書資料管理、商業(yè)數(shù)據(jù)分享、文獻(xiàn)檢索等工作都需要計(jì)算機(jī)參與，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)處理的工作量占總工作量的80%以上；從科研層面來看，小到人們每日需要的天氣預(yù)報(bào)和自然災(zāi)害預(yù)警，大到航空器、火箭、導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)都離不開計(jì)算機(jī)的精確計(jì)算。自動(dòng)控制指借助計(jì)算機(jī)對某一任務(wù)實(shí)行自動(dòng)操作，一些高精尖設(shè)備企業(yè)、石油化工企業(yè)和航空航天企業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)復(fù)雜，操作難度高且具有一定程度危險(xiǎn)，計(jì)算機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)目標(biāo)和流程進(jìn)行自動(dòng)控制，不僅釋放人力，減少人力成本，還提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

人工智能是近幾年較為流行的計(jì)算機(jī)應(yīng)用類型，雖然科研仍未完全成熟，但在部分領(lǐng)域的運(yùn)用情況表明其具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＶ悄茚t(yī)療診斷系統(tǒng)、多國語言實(shí)時(shí)翻譯系統(tǒng)、機(jī)器人等都屬于人工智能范疇，計(jì)算機(jī)模擬人腦功能而具有“思維”能力，使得計(jì)算機(jī)能夠替代部分人類行為并創(chuàng)造大量優(yōu)質(zhì)效益。除此以外，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、多媒體都是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，人們能夠借助多媒體觀看高清電影，玩轉(zhuǎn)VR游戲，能夠利用計(jì)算機(jī)繪圖，制作課件和動(dòng)畫，能夠在全球最大的互聯(lián)網(wǎng)Internet上自由瀏覽信息，選購商品，與遠(yuǎn)在地球另一邊的陌生人互動(dòng)，也能夠通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，參加遠(yuǎn)程會(huì)議，可以說豐富的計(jì)算機(jī)應(yīng)用使人們的生活發(fā)生天翻地覆的變化，讓每個(gè)人擁有更多元化的選擇空間和更個(gè)性的生活方式。

3 結(jié)語

縱觀20世紀(jì)以來全球計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，可以看到正是因?yàn)橐淮兄局康慕哒\努力，計(jì)算機(jī)技術(shù)才得以獲得一次次跨越式進(jìn)步，計(jì)算機(jī)才能夠走進(jìn)人們生活發(fā)揮重大的作用。感悟過去是為了展望未來，回顧計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史能夠?yàn)槲覈?jì)算機(jī)科研提供新的靈感和思路。同時(shí)也能夠?yàn)槲覈男畔⒒瘧?zhàn)略提供更好的幫助與支持。

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