1.2　计算机的发展

1.2.1　电子计算机的发展历程

计算机界传统的观点是将计算机的发展大致分为4代，这种划分是以构成计算机的基本逻辑部件所用的电子元器件的变迁为依据的。从电子管到晶体管，再由晶体管到中小规模集成电路，再到大规模集成电路直至现今的超大规模集成电路，元器件的制造技术发生了几次重大的革命，芯片的集成度不断提高，这些使计算机的硬件得以迅猛发展。

从第一台计算机诞生以来的70余年时间里，计算机的发展过程可以划分如下：

1.第一代计算机（1946—1954年）：电子管计算机时代

第一代计算机是电子管计算机，其基本元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器有纸带、卡片、磁带和磁鼓等。受当时电子技术的限制，运算速度仅为每秒几千次到几万次，而且内存储器容量也非常小，仅为1000～4000B。

此时的计算机程序设计语言还处于最低阶段，要用二进制代码表示的机器语言进行编程，工作十分烦琐，直到20世纪50年代末才出现了稍微方便一点的汇编语言。

第一代计算机体积庞大，造价昂贵，因此基本上局限于军事研究领域的狭小天地里，主要用于数值计算。UNIVAC（Universal Automatic Computer，通用自动计算机）是第一代计算机的代表，于1951年首次交付美国人口统计局使用。它的交付使用标志着计算机从实验室进入了市场，从军事应用领域转入数据处理领域。

2.第二代计算机（1955—1964年）：晶体管计算机时代

晶体管的发明标志着一个新的电子时代的到来。1947年，贝尔实验室的两位科学家布拉顿（W.Brattain）和巴丁（J.Bardeen）发明了点触型晶体管，1950年科学家肖克利（W.Shockley）又发明了面结型晶体管。比起电子管，晶体管具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、发热少、速度快等特点，使用晶体管的计算机，其电子线路结构变得十分简单，运算速度大幅度提高。

第二代计算机是晶体管计算机，以晶体管为主要逻辑元件，内存储器使用磁芯，外存储器有磁盘和磁带，运算速度从每秒几万次提高到几十万次，内存储器容量也扩大到了几十万字节。

1955年，美国贝尔实验室研制出了世界上第一台全晶体管计算机TRADIC，如图1-3所示。它装有800个晶体管，功率仅为100W。1959年，IBM公司推出了晶体管化的7000系列计算机，其典型产品IBM 7090是第二代计算机的代表，在1960—1964年间占据着计算机领域的统治地位。

此时，计算机软件也有了较大的发展，出现了监控程序并发展为后来的操作系统，高级程序设计语言也相继推出。1957年，IBM研制出公式语言FORTRAN；1959年，美国数据系统语言委员会推出了商用语言COBOL；1964年，Dartmouth大学的J.Kemeny和T.Kurtz提出了BASIC。高级语言的出现，使得人们不必学习计算机的内部结构就可以编程使用计算机，为计算机的普及提供了可能。

第二代计算机与第一代计算机相比，体积小、成本低、重量轻、功耗小、速度快、功能强且可靠性高，使用范围也由单一的科学计算扩展到数据处理和事务管理等其他领域中。

3.第三代计算机（1965—1971年）：中小规模集成电路计算机时代

1958年，美国物理学家基尔比（J.Kilby）和诺伊斯（N.Noyce）同时发明了集成电路。集成电路是用特殊的工艺将大量完整的电子线路制作在一个硅片上。与晶体管电路相比，集成电路计算机的体积、重量、功耗都进一步减小，而运算速度、运算功能和可靠性则进一步提高。

第三代计算机的主要元件采用小规模集成电路（Small Scale Integrated，SSI）和中规模集成电路（Medium Scale Integrated，MSI），主存储器开始采用半导体存储器，外存储器使用磁盘和磁带。

IBM公司1964年研制出的IBM S/360系列计算机是第三代计算机的代表产品，它包括6个型号的大、中、小型计算机和44种配套设备，从功能较弱的360/51小型机，到功能超过它500倍的360/91大型机。IBM为此耗时3年，投入50亿美元的研发费，超过了第二次世界大战时期原子弹的研制费用。IBM S/360系列计算机是当时最成功的计算机，5年之内售出32300台，创造了计算机销售中的奇迹，奠定了“蓝色巨人”在当时计算机业的统治地位。此后，IBM又研制出与IBM S/360兼容的IBM S/370，其中最高档的370/168机型的运算速度已达每秒250万次。

软件在这个时期形成了产业，操作系统在种类、规模和功能上发展很快，通过分时操作系统，用户可以共享计算机资源。结构化、模块化的程序设计思想被提出，而且出现了结构化的程序设计语言Pascal。

4.第四代计算机（1971年至今）：大规模和超大规模集成电路计算机时代

随着集成电路技术的不断发展，单个硅片可容纳电子线路的数目也在迅速增加。20世纪70年代初期出现了可容纳数千个至数万个晶体管的大规模集成电路（Large Scale Integrated，LSI），20世纪70年代末期又出现了一个芯片上可容纳几万个到几十万个晶体管的超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated，VLSI）。利用VLSI技术，能把计算机的核心部件甚至整个计算机都做在一个硅片上。一个芯片显微结构如图1-4所示。

第四代计算机的主要元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路。集成度很高的半导体存储器完全代替了磁芯存储器，外存磁盘的存取速度和存储容量大幅度上升，计算机的速度可达每秒几百万次至上亿次，而其体积、重量和耗电量却进一步减少，计算机的性能价格比基本上以每18个月翻一番的速度上升，此即著名的More定律。

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进入到了第四代。1975年，美国阿姆尔公司研制成470V/6型计算机，随后日本富士通公司生产出M-190计算机，是比较有代表性的第四代计算机。英国曼彻斯特大学1968年开始研制第四代计算机，1974年研制成功DAP系列计算机。1973年，德国西门子公司、法国国际信息公司与荷兰飞利浦公司联合成立了统一数据公司，研制出Unidata 7710系列计算机。

这一时期的计算机软件也有了飞速发展，软件工程的概念开始提出，操作系统向虚拟操作系统发展，计算机应用也从最初的数值计算演变为信息处理，各种应用软件丰富多彩，在各行业中都有应用，大大拓展了计算机的应用领域。

从第一代到第四代，计算机的体系结构都是采用冯·诺依曼的体系结构，科学家试图突破冯·诺依曼的体系结构，研制新一代的更高性能的计算机。1982年以后，许多国家开始研制第五代计算机，其特点是以人工智能原理为基础，希望突破原有的计算机体系结构模式。之后，又提出了第六代计算机——生物计算机、神经网络计算机等新概念，这些计算机都属于新一代计算机。

5.第五代计算机：智能计算机

第五代计算机指具有人工智能的新一代计算机，它具有推理、联想、判断、决策、学习等功能。日本在1981年首先宣布进行第五代计算机的研制，并为此投入上千亿日元。这一宏伟计划曾引起世界瞩目，但现在来看，日本原来的研究计划只能说是部分地实现了。

第五代计算机的系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行判断和推理。同时，多媒体技术得到广泛应用，使人们能用语音、图像、视频等更自然的方式与计算机进行信息交互。智能计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快。其硬件系统支持高度并行和推理，其软件系统能够处理知识信息。神经网络计算机（也称神经元计算机）是智能计算机的重要代表。

第五代计算机系统结构将突破传统的冯·诺依曼的体系结构。这方面的研究课题应包括逻辑程序设计机、函数机、相关代数机、抽象数据型支援机、数据流机、关系数据库机、分布式数据库系统、分布式信息通信网络等。

6.第六代计算机：生物计算机

半导体硅晶片的电路密集、散热问题难以彻底解决，影响了计算机性能的进一步发挥与突破。研究人员发现，脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构能容纳巨量信息，其存储量相当于半导体芯片的数百万倍。一个蛋白质分子就是存储体，而且阻抗低、能耗小、发热量极低。

基于此，利用蛋白质分子制造出基因芯片，研制生物计算机（也称分子计算机、基因计算机），已成为当今计算机技术的最前沿。生物计算机比硅晶片计算机在速度、性能上有质的飞跃，被视为极具发展潜力的“第六代计算机”。

生物计算机的主要原材料是借助生物工程技术（特别是蛋白质工程）生产的蛋白质分子，以它作为生物集成电路——生物芯片。在生物芯片中，信息以波的形式传递。当波沿着蛋白质分子链传播时，会引起蛋白质分子链单键、双键结构顺序的改变。因此，当一列波传播到分子链的某一部位时，它们就像硅集成电路中的载流子（电流的载体叫作载流子）那样传递信息。由于蛋白质分子比硅芯片上的电子元件要小得多，彼此相距很近，因此，生物元件可小到几十亿分之一米，元件的密集度可达每平方厘米10万亿～100万亿个，甚至1000万亿个门电路。

与普通计算机不同的是，由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所以，生物计算机芯片既有自我修复的功能，又可直接与生物活体结合。同时，生物芯片具有发热少、功能低、电路间无信号干扰等优点。

生物计算机与以逻辑处理为主的第五代计算机不同，它本身可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且它可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。以往的信息处理系统只能处理条理清晰、经络分明的数据。而人的大脑活动具有能处理零碎、含糊不清信息的灵活性，第六代计算机将具有类似人脑的智慧和灵活性。