1.1 计算机的发展、应用及展望
电子计算机的诞生和发展是20世纪最伟大的科学技术成就之一．回顾20世纪的科技发展史，人们会深刻地体会到计算机的诞生和广泛应用给工作和生活所带来的巨大变化．计算机，顾名思义就是用于计算的工具．但是，今天这里所说的计算机（Computer）实际上是指电子数字计算机（DigitalComputer）．计算机的一个比较确切的定义是：计算机是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息进行快速算术和逻辑运算的工具，是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备．
和其他机器设备一样，计算机首先是一个工具．但和其他增强人的体力的机器设备不一样，计算机是增强人的脑力的工具，俗称“电脑”．计算机主要增强的是人的记忆、计算、逻辑判断和信息处理的能力，而人类所独有的智慧水平，计算机是远远达不到的．掌握计算机首先应该熟练地掌握它的使用，然后才进一步掌握其工作原理．当然，本书所要求的是后者，是一个计算机科学工作者深入学习计算机技术的基础．
1.1.1 计算机的发展简史
世界上第一台真正的全自动电子数字式计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）．这台计算机共用了18000多个电子管，占地约170m2，总重量约为30吨，耗电量超过140kw，每秒能做5000次加减运算．ENIAC计算机虽然有许多明显的不足，它的功能也远不及现在的一台普通微型计算机，但它的诞生宣告了电子计算机时代的到来．在随后的几十年中，计算机的发展突飞猛进，经历了电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路五个阶段，计算机的体积越来越小，功能越来越强，价格越来越低，应用越来越广泛．
第一代计算机是从第一台计算机ENIAC问世到20世纪50年代末．这一时期计算机的主要特征是使用电子管作为电子器件，软件还处于初始阶段，使用机器语言与汇编语言编制程序．该时代计算机是计算机发展的初级阶段，其体积比较大，运算速度比较低，存储容量不大．为了解决某一问题，所编制的程序往往很复杂．这一代计算机主要被用于科学计算．
第二代计算机是从50年代末到60年代初．这一时期计算机的主要特征是使用晶体管作为电子器件，在软件方面开始使用计算机高级语言，为更多的人学习和使用计算机铺平了道路．这一代计算机的体积大大减小，具有重量轻、寿命长、耗电少、运算速度快和存储容量比较大等优点．因此，这一代计算机不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制．
第三代计算机是从20世纪60年代中期到20世纪70年代初期．这一时期计算机的主要特征是使用中、小规模集成电路（MSI, SSI）作为电子器件．在这一时期，操作系统的出现使计算机的功能越来越强，应用范围越来越广．使用中、小规模集成电路制成的计算机，其体积与功耗都进一步的减小，可靠性和运算速度等指标也得到了进一步的提高，并且为计算机的小型化、微型化提供了良好的条件．在这一时期，计算机不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域，出现了计算机技术与通信技术相结合的管理信息系统，可用于生产管理、交通管理和情报检索等领域．
第四代计算机是指用大规模与超大规模集成电路（LSI, VLSI）作为电子器件制成的计算机．这一代计算机各种性能都有了大幅度的提高，应用软件也越来越丰富，应用涉及到国民经济的各个领域，已经在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手，并且进入了家庭．从1971年到1990年，作为第四代计算机重要产品的微型计算机得到了飞速的发展，对计算机的普及起到了决定性的作用．
第五代计算机是指用甚大规模集成电路（ULSI）作为电子器件制成的计算机．1990后计算机进入第五代，其主要标志有两个：一个是单片集成电路规模达100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用．
1.1.2 计算机的特点
计算机的主要特点表现在以下几个方面．
1．运算速度快
运算速度是计算机的一个重要性能指标．计算机的运算速度通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量．运算速度快是计算机的一个突出特点．计算机的运算速度已由早期的每秒几千次发展到现在的最高可达每秒万亿次甚至更高．
2．计算精度高
在科学研究和工程设计中，对计算结果的精度有很高的要求．一般的计算工具只能达到几位有效数字（如过去常用的四位数学用表、八位数学用表等），而计算机对数的结果精度可达到十几位、几十位有效数字，甚至根据需要可达到任意的精度．
3．存储容量大
计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能．目前计算机的存储容量越来越大，已高达千吉数量级的容量．计算机具有“记忆”功能，是与传统计算工具的一个重要区别．
4．具有逻辑判断功能
计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能．这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提．
5．自动化程度高，通用性强
由于计算机的工作方式是将程序和数据先存放在机内，工作时按程序预先规定的操作，一步一步地自动完成，一般无须人工干预，因而自动化程度高．这一特点是一般计算工具所不具备的．计算机通用性的特点，表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题，能广泛地应用于各个领域．
1.1.3 计算机的应用
由于计算机具有高速、自动化和存储大量信息的优势，还具有很强的推理和判断能力，因此，计算机已经被广泛应用于各个领域，并且仍然呈上升和扩展趋势．通常，计算机的应用可概括为以下几个方面：
1．科学计算
早期的计算机主要用于科学计算．目前，科学计算仍然是计算机的一个重要应用领域．由于计算机具有很高的运算速度和运算精度，使得过去用手工无法完成的计算变为可能．随着计算机技术的发展，计算机的计算能力将越来越强，计算速度会越来越快，计算精度也会越来越高．利用计算机进行数值计算，可以节省大量时间、人力和物力．
2．过程检测与控制
利用计算机自动地对工业生产过程中的某些信号进行检测，并把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理，这样的系统称为计算机检测系统．但一般来说，实际的工业生产过程是一个连续的过程，往往既需要用计算机进行检测，又需要用计算机进行控制．例如：在化工、电力和冶金等生产过程中，用计算机自动采集各种参数，监测并及时控制生产设备的工作状态；在导弹、卫星的发射中，用计算机随时精确地控制飞行轨道与姿态；在热处理加工中，用计算机随时检测与控制炉窑的温度；在对人有害的工作场所，用计算机来监控机器人自动工作等．特别是微处理器进入仪器仪表后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平．利用计算机进行控制，可以节省劳动力、减轻劳动强度、提高劳动生产效率，并且还可以节省生产原料、减少能源消耗、降低生产成本．
3．信息管理
信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域．所谓信息管理，是指利用计算机来加工、管理和操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、账目计算和信息情报检索等．当今社会是一个信息化的社会，随着计算机技术、网络技术及通信技术的日益成熟并用于信息管理，为办公自动化、管理自动化和社会自动化创造了越来越有利的条件．国内外大量的机构已经建立了自己的管理信息系统（MIS）；一些生产企业开始采用制造资源规划软件（MRP）；商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统（EDI），即所谓无纸贸易．
4．计算机辅助系统
计算机用于辅助设计、辅助制造和辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统．计算机辅助设计（CAD, Computer Aided Design）是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力．用计算机进行辅助设计，不仅速度快，而且质量高．计算机辅助制造（CAM, Computer Aided Manufacturing）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本以及缩短生产周期，并且还大大改善了工作人员的工作条件．计算机辅助教学（CAI, Computer Aided Instruction）是指利用计算机帮助学习的系统，它将教学内容、教学方法以及学习情况等信息存储在计算机中，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识．
1.1.4 计算机的展望
从1946年ENIAC问世至今，70年来计算机技术的进步推动了计算机的发展和广泛应用，使计算机在人类的全部活动领域里占有极为重要的地位．从超级计算机到心脏起搏器，从电话网络到汽车的汽化器，它几乎无处不在，无所不及，完全可以填补甚至取代各类信息处理器，成为人类最得力的助手．
世界上不少科学家预言，到了2046年人类社会几乎所有的知识和信息将全部融入于计算机空间，而任何人在任何地方任何时间都可以通过网络，对所有的知识和信息进行在线获取．这个预测是大家所希望的，也是极有可能成为现实的．计算机空间将为崭新的信息方式、娱乐方式和教育方式提供基础，并将提供新层次的个人服务和健康保健，最大的受益将是人们可以在远距离与他人进行全感知的交流．这种计算机应该具有类似人脑的一些超级智能，具有类似人脑的自组织、自适应、自联想、自修复的能力．要达到类似人脑的这种功能，要求进行信息处理的计算机速度至少达每秒1015次，存储容量至少为1013字节，当然还需要相应的软件支持．倘若计算机的计算速度和存储容量达不到这个指标，那么所谓的超级智能计算机只能是一种幻想．因此，尽管20世纪七八十年代，人工智能的研究曾一度出现高潮，特别是日本投入了大量的资金，做了很大的努力，但超级计算机的实现远比想象的要艰难得多．
显然，欲实现上述目标，首当其冲的应该是努力提高处理器的主频．硅芯片微处理器主频与其集成度紧密相关，但实现起来并非易事．其一，硅芯片的集成度受其物理极限的制约，集成度不可能无止境地提高，当集成电路的线宽达到仅为单个分子大小的物理极限时，意味着硅芯片的集成度已到了穷途末路的境地．其二，由于硅芯片集成度提高时，其制作成本也在不断提高，即在微电子工艺发展中还遵循另一规律：“新一代芯片的研发成本大约为前一代芯片的两倍”．一般来说，建造一个生产0.25μm工艺芯片的车间大约需20～25亿美元，而使用0.18μm工艺时，费用将跃到30～40亿美元．按几何级数递增的制作成本情况发展，数年内该费用将达100亿美元，致使企业无法承受．其三，随着集成度的提高，微处理器内部的功耗、散热、线延迟等一系列问题将难以解决．因此Intel公司工程师保罗·帕肯曾发表的那个大胆的预测，认为硅片技术10年后将走到尽头绝不是空穴来风．
尽管如此，人类对美好愿望的追求是无止境的，绝不会因硅芯片的终结而放弃超级智能计算机的研制．
那么究竟谁能接过传统硅芯片发展的接力棒呢？多年来，科学家们把眼光都聚集在光计算机、生物计算机和量子计算机上，而量子计算机被寄托了极大的希望．
光计算机利用光子取代电子进行运算和存储，用不同波长的光代表不同数据，可快速完成复杂计算．然而要想制造光计算机，需开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学晶体管．现有的光学晶体管庞大而笨拙，用其制造台式计算机将有一辆汽车那么大．因此，光计算机短期内难以进入实用阶段．
DNA（脱氧核糖核酸）生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想，它通过控制DNA分子间的生化反应完成运算．但目前的DNA计算技术必须将DNA溶于试管液体中．这种计算机由一堆装有有机液体的试管组成，虽然看起来很神奇，但很笨拙．这个问题得不到解决，DNA计算机在可预见的未来将难以取代硅芯片计算机．与前两者相比，量子计算机的前景尤为光明．量子这种常人难以理解的特性，使得具有5000个量子位的量子计算机能在约30秒内解决传统硅芯片超级计算机要在100亿年才能解决的大数因子分解问题．
量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机．原子会旋转，而且不是向上就是向下，正好与数位科技的“0”与“1”完全吻合．既然原子可以同时向上或向下旋转，如果把一群原子聚在一起，它们就可以不像现在的计算机那样进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算．只要有40个原子一起运算，就可达到相当于现在一部超级计算机的同等性能．专家们认为，如果有一个包含全球电话号码的资料库，找出一个特定的电话号码，一部量子计算机数分钟就可完成，而同样工作交付给10台IBM“深蓝”超级计算机同时运作，至少也需要数月才能完成．量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算能力比目前的硅芯片为电路基础的传统计算机要快几亿倍．
当利用高速运行的量子计算机后，再结合现代计算机采用的高并行度的体系结构，通过将大量高速处理器用高带宽局域网进行连接，它就可以具备类似于人脑的高并行性的本质．预计实现人类级的智能计算机所需的硬件可能在21世纪的前1/4的时间内实现，与20世纪70年代只够得上“昆虫级”智能的计算机硬件能力相比，显然人们对超级智能计算机的研制更充满信心．
超级智能计算机不仅需要有硬件支撑，而且还必须有软件支持．模拟大脑功能创建超级计算机，除了具备足够的硬件能力和适应计算机学习的软件外，还需有足够的初始体系结构和丰富的感官输入流．当前的技术对感官输入已经很容易满足，而足够的初始体系则较难实现，因为大脑并非一开始就是一片空白．它有一个遗传可编码的初始结构，存在着神经皮层可塑性、大脑皮层的相似性及进化的特点．这些问题的解决必须随着神经科学的进一步发展，在对人脑的神经结构和它的学习算法了解得足够多的前提下，才有可能在具有很强计算能力的计算机上实现复制．科学家估计大约在今后10多年内，采用当前的设备支持输入输出渠道，对人脑继续研究，发现新的计算机学习方法和对新神经科学的深入研究，超级智能计算机的出现是势不可挡的必然趋势，只是时间问题．
21世纪人们除了继续追求超级智能计算机的问世外，更引起人们注目的是价格低廉、使用方便、体积更小、外形多变、具有个性化的计算机的研究和应用．
虽然计算机强大的功能使他能处理相当多的事务，但至今还存在不尽如人意的缺点．因此，普及面仍未达到应有的程度．其原因主要在于对绝大多数人而言，还不能非常方便的对它进行操作，而且很难适应各种场合的需要．因此，除了继续提高芯片主频外，在输入输出方式上应有更多的性能突破．输入输出方式将更多样化和更人性化．除了进一步提高手写分辨率和速度外，语音输入输出将随时可见，包括汽车、家电、电话、电视、玩具、手表等．而且还可用人的手势、表情、眼睛瞳孔的位置，甚至利用人体的气味、体温来控制输入．三维图像输出将能实时地合成真实的视频图像、包括完整的喜剧电影，还允许计算机合成的图像和人面对面交谈．平面液晶显示器将可以像眼镜一样戴在脸上，构成可移动的计算机．
计算机的外形及尺寸大小将随着不同的对象和环境而变化，甚至朝着个性化量体定做的方向发展．特别是嵌入式的计算机，可以遍及汽车、房间、车站、机场及各种建筑场，使用者利用随身携带的信息操作器具，无需作任何连接方式，利用红外线传输方式，随时从公共场所服务器主机上接收所需的信息，包括个人的电子邮件等．尤其是个人身上穿戴的计算机连同身上网络，可以随时随地照顾用户健康、安全，并帮助用户在复杂的物理空间环境中工作，如汽车、飞机驾驶等．
在普及型的计算机发展同时，大型系统也将获得巨大发展，将来由低价、通用的多处理机组成的群机系统来代替单一的大型系统．在这个群机系统中，每个计算机通过快速的系统级网络（SAN）和其他计算机通信．群机系统可以扩展到上千个节点，对于数据库和即时事务处理（OLTP）的应用，群机能像单机一样运转．群机能开发隐含在处理并行多用户或在处理包含在多个存储设备的大型查询中的并行性．一个具有几十个节点的PC群机系统，每天可执行10亿多次事务处理，比目前最大的大型机吞吐量还大．科学计算将在高度专用、类似CRAY的多向量结构的计算机上运行．
至于网络带宽问题，到2046年，每光波长携带几个GB的光纤将会很普遍地进入到广大家庭用户中，那时带宽将不再是问题．它们将为电话、可视电话、电视、网络访问、安全监控、家庭能源管理以及其他各种设备服务．
虽然不能对未来的计算机预知的那么清晰、那么准确，但是，仅就上诉的描述，也就可以想象几十年后，计算机给人类带来的绚丽多彩的生活和人类社会的美好憧憬绝不是幻想．