計算機的發展及應用

本章簡要介紹計算機的發展史以及它的應用領域，旨在使讀者對計算機有一個感

性的認識。

最后，本章展望計算機的未來。

2.1計算機的發展史

誰也不曾想到，當初只是當做軍事計算工具應用的電子計算機，在半個世紀中竟

然會成為改變社會結構，乃至促使人們的工作和生活方式發生驚人變化的寵兒,

真可謂20世紀下半世紀科技發展最有影響的發明，并且它還將繼續影響著未來

世界的變化，使數千年人類文明史中曾有過的各種神話般的幻想逐漸變為現實。

2.1.1計算機的產生和發展

1.第一代電子管計算機

1943年，第二次世界大戰進入后期，因戰爭的需要，美國國防部批準了由

Pennsylvania大學JohnMauchly教授和JohnPresperEckert工程師提出的建造一

臺用電子管組成的電子數字積分機和計算機(ElectronicNumericalIntegratorAnd

Computer,ENIAC)的計劃，用它來解決當時國防部彈道研究實驗室(BRL)開發

新武器的射程和檢測模擬運算表的難題。當時，由于運算能力不足，該實驗室無

法在規定的時間內拿出準確的運算表，嚴重影響了新武器的制作。

ENIAC于1946年交付使用，其首要任務就是完成了一系列測定氫彈可靠性的復

雜運算。ENIAC采用十進制運算，電路結構十分復雜，使用18000多個電子管，

運行時耗電量達150千瓦，體積龐大,重量達30噸，占地面積為1500平方英尺，

而且需用手工搬動開關和拔、插電纜來編制程序，使用極不方便，但它比任何機

械計算機快得多，每秒可進行5000多次加法運算。

ENIAC的出現不但實現了制造一臺通用計算機的目標，而且標志計算工具進人了

一個嶄新的時代，是人類文明發展史中的一個里程碑。僅僅半個世紀，計算機已

經使人類社會從工業化社會發展到了信息化社會。雖然ENIAC于1955年正式退

役，并陳列于美國國立博物館供人們參觀，但它的豐功偉績將永遠記載在人類的

文明史冊中。

1945年，ENIAC的顧問、數學家馮?諾依曼在為一臺新的計算機EDVAC(電子離

散變量計算機)所制定的計劃中首次提出了存儲程序的概念，即將程序和數據一

起存放在存儲器中，使編程更加方便。這個思想幾乎同時被科學家圖靈(Turing)

想到了。

1946年，馮?諾依曼與池的同行們在PrincetonInstitute進行高級研究時，設計了

一臺存儲程序的計算機IAS,可惜因種種原因直到1952年IAS也未能問世。但IAS

的總體結構從此得到了認可，并成為后來通用計算機的原型，圖2.1就是IAS計

算機的總體結構示意圖。它由幾部分組成：一個同時存放指令和數據的主存儲器、

一個二進制的算邏運算部件、一個解釋存儲器中的指令并能控制指令執行的程序

控制部件以及由控制部件操作的I/O設備。

20世紀50年代，美國出現了Sperry和IBM兩大制造計算機的公司，后來又從

Sperry公司分離出了UNIVAC子公司，他們控制著計算機市場。

1947年，Eckert和Mauchly共同建立了生產商用計算機的計算機公司，他們第一

個成功的產品是UNIVAQ（UniversalAutomaticComputer）,后來Eckert-Mauchly

公司成為從Sperry-Rand公司分離出來的UNIVAC子公司，并繼續制造了一系列

產品，如UNIVACII及UNIVAC1100系歹IJ產品，它們成為科學和商用計算機的主

流產品。同時IBM公司在1953年推出了首臺存儲程序的計算機701機，1955年

又推出了702機，使之更適用于科學計算和商業應用，后來形成了700/7000系

列，使IBM成為計算機制造商的絕對權威。

自從ENIAC問世后，人類為提高電子計算機性能的欲望從未減退過，并在20世

紀50年代初，除美國外，英、法、蘇聯、日本、意大利等國都相繼研制出本國

的第一臺電子計算機，我國也于1958年研制成自己的第一臺電子計算機?？墒?/p>

在這十多年的時間里，計算機的性能并未出現奇跡般的提高，它的運算速度每秒

僅在數千次至上萬次左右，其體積雖然不像ENIAC那樣龐大，但也占了相當大的

空間，耗電量也很大。直到20世紀50年代末，計算機技術迎來了第一次大飛躍

的發展機遇，其性能出現了數十倍以至幾百倍的提高，這就是用晶體管替代電子

管的重大變革。

2.第二代晶體管計算機

1947年在貝爾實驗室成功地用半導體硅作為基片，制成了第一個晶體管，它的

小體積、低耗電以及載流子高速運行的特點，使真空管望塵莫及。進入20世紀

50年代后，全球出現了一場以晶體管替代電子管的革命，計算機的性能有了很

大的提高。以IBM700/7000系列為例，晶體管機7094（1964年）與電子管機701

（1952年）相比，其主存容量從2K字增加到32K字；存儲周期從30/加加下降

到14/m〃8；指令操作碼數從24增加到185；運算速度從每秒上萬次提高到每

秒50萬次。7094機還采用了數據通道和多路轉換器等在當時看來是最新的技術。

盡管用晶體管代替電子管已經使電子計算機的面貌煥然一新，但是隨著對計算機

性能越來越高的追求，新的計算機所包含的晶體管個數已從一萬個左右驟增到數

十萬個，人們需要把晶體管、電阻、電容等一個個元件都焊接到一塊電路板上,

再由一塊塊電路板通過導線連接成一臺計算機。其復雜的工藝不僅嚴重影響制造

計算機的生產效率，更嚴重的是，由幾十萬個元件產生幾百萬個焊點導致計算機

工作的可靠性不高。

隨著1958年微電子學的深人研究，特別是新的光刻技術和設備的成熟，為計算

機的發展又開辟了一個嶄新時代一一集成電路時代。

3.第三代集成電路計算機

仔細分析就會發現，計算機的數據存儲、數據處理、數據傳送以及各類控制功能

基本上都是由具有布爾邏輯功能的各類門電路完成的，而大量的門電路又都是由

晶體管、電阻、電容等搭接而成，因此，當集成電路制造技術出現后，可以利用

光刻技術把晶體管、電阻、電容等構成的單個電路制作在一塊極小（如幾個平方

微米）的硅片上。進一步發展，實現了將成百上千個這樣的門電路全部制作在一

塊極?。ㄈ鐜讉€平方毫米）的硅片上，并引出與外部連接的引線，這樣，一次便

能制作成成百上千個相同的門電路，又一次大大地縮小了計算機的體積，大幅度

下降了耗電量，極大地提高了計算機的可靠性。這就是人們稱為小規模集成電路

（SSI）和中等規模集成電路（MSI）的第三代計算機，其典型代表為IBM的

System/360和DEC的PDP-8。

1964年，IBM推出了一個新的計算機系列System/360,打破了7000系列在體系

結構方面的一些約束。為了推動集成電路技術，改進原來的結構，IBM投入了大

量的人力和物力進行技術開發，作為回報，它最終占領了大約70%的市場份額,

成為計算機制造的最大制造商。

System/360系列中有不同的機型，但它們乂都是互相兼容的，即在某種機型上運

行的程序可以在這一系列中的另一種機型上運行。它們具有類似或相同的指令系

統（該系列中低檔機的指令系統可以是高檔機指令系統的一個子集），各機型有

類似或相同的操作系統，而且隨著機器檔次的提高，機器的速度、存儲器的容量、

V0端口的數量以及價格都有所增長。

另一種有代表性的機器是DEC的PDP-8,它采用總線結構，有迷你機之稱。它以

低價格、小體積吸引了不少用戶，售價僅16000美元，而當時System/360大型

機的售價為數十萬美元。PDP-8使DEC迅速發展起來，使其成為繼IBM之后的第

二大計算機制造商。

從1946年的ENIAC至IJ1964年的IBMSystem/360,歷時不到20年，計算機的發

展經歷了電子管一晶體管一集成電路3個階段，通常稱為計算機的3代。顯然,

早期計算機的更新換代主要集中體現在組成計算機基本電路的元器件（電子管、

晶體管、集成電路）上。

第三代計算機之后，人們沒有達成定義新一代計算機的一致意見。

表2.1列出了硬件技術對計算機更新換代的影響。

進入到20世紀70年代后，把計算機當做高級計算工具的狹隘觀念已被人們逐漸

摒棄，計算機成為一門獨立的學科而迅猛發展，并且影響、改變著人類的生活方

式，這是由于微處理器的出現（采用大規模和超大規模集成電路）、軟件技術的

完善及應用范圍的不斷拓寬所帶來的必然結果。

2.L2微型計算機的出現和發展

集成電路技術把計算機的控制單元和算邏單元集成到一個芯片上，制成了微處理

器芯片。1971年，美國Intel公司31歲的工程師霍夫研制成世界上第一個4位

的微處理器芯片4004,集成了2300個晶體管。隨后，微處理器經歷了4位、8

位、16位、32位和64位幾個階段的發展，芯片的集成度和速度都有很大的提高。

與此同時，半導體存儲器的研制也正在進行，1970年，Fakchild制作了第一個

存儲芯片，該芯片大約只有一個磁心這么大，卻能保存256位二進制信息，但是

每位的價格高于磁心。1974年后，隨著半導體存儲器價格的迅速下降；位密度

的不斷提高，存儲芯片的容量經歷了1K位，4K，'立，16K位，64K位，256K位,

1M位,4M位，16M位，64M位…，1G位這幾個階段，每個新的階段都比過去

提高到4倍的容量，而價格和訪問時間都有所下降。

總之，芯片集成度不斷提高，從在一個芯片上集成成百上千個晶體管的中、小規

模集成電路，逐漸發展到能集成成千上萬個晶體管的大規模集成電路（LSI）和

能容納百萬個以上晶體管的超大規模集成電路（VISI）o微芯片集成晶體管的數

目驗證了Intel公司的結造者之一GordonMoore提出的"微芯片上集成的晶體管數

目每3年翻兩番〃的規律，這就是人們常稱的Moore（摩爾）定律。

微處理器芯片和存儲器芯片出現后，微型計算機也隨之問世。例如，1971年用

4004微處理器制成了MCS-4微型計算機。20世紀70年代中期，8位微處理器

8008、8080、R6502、M6800、Z80等相繼出現，并用R6502制成了Applell微型

計算機，用Z80制成了CROMEMCO80微型計算機等。

最值得一提的是世界.上第一大微處理器的制造商Intel,其典型產品如下。

■8080：世界上第一個8位通用的微處理相，1974年問世。

■8086：16位,2.9萬個晶體管，地址20位，采用6個字節指令隊列，指令系

統與8088完全兼容，1978年問世。

■8088：集成度達2.9萬個晶體管，主頻4.77MHz,字長16位(外部8位)，

又稱準16位，地址20位，采用4個字節指令隊列，被IBM首臺微型計算機(IBMPC)

選用,1979年問世。

?80286：16位，13.4萬個晶體管，6MHz,地址24位，可用實際內存16MB和

虛擬內存1GB,1982怎問世。

■80386：32位,27.5萬個晶體管,12.5MHz、33MHz,地址32位,4GB實際內

存，64TB

(1TB=24OB)虛擬內存，其性能可與幾年前推出的小型機和大型機相比,1985

年問世。

?80486：32位，120萬個晶體管，25MHz、33MHz、50MHz,4GB實際內存，

64TB虛擬內存，引用更加復雜的Cache技術和指令流水技術，速度比80386快

一倍，性能指標比80386高出3~4倍，1989年問世。

■Pentium：32位，310萬個晶體管，66MHz、100MHz,4GB實際內存，64TB

虛擬內存，采用超標量技術，使多條指令可并行人行，速度比80486高出6~8

倍，1993年問世。

?PentiumPro：64位，550萬個晶體管，133MHz、150MHz.200MHz,64GB實

際內存，64TB虛擬內存，采用動態執行RISC/CISC技術、分支預測、指令流分析、

推理性執行和二級Cache等技術，1995年問世。

?PentiumII：64位，750萬個晶體管，200~300MHz,64GB實際內存，64TB虛

擬內存，融入了專門用于有效處理視頻、音頻和圖形數據的IntelMMX技術，1997

年問世。

?Pentiumlll：64位，950萬個晶體管，450~600MHz,64GB實際內存，64TB虛

擬內存，融入了新的浮點指令，以支持三維圖形軟件，1999年問世。

?Pentium4：64位，4200萬個晶體管，1.3~1.8GHz,64GB實際內存，64TB虛

擬內存，包括另外的浮點和其他多媒體應用的增強，2000年問世。

顯然，從20世紀70年代初至今，微型計算機的發展在很大程度上取決于微處理

器的發展，而微處理器的發展又依賴于芯片集成度和處理器主頻的提高。從2000

年lntelPentium4問世至今這幾年的發展歷程看，處理器的架構變化不大，主要

從提高處理器的主頻、增加擴展指令集、增加流水線、提高生產工藝水平（晶體

管的線寬從180nml130nm玲90nm365nm）等幾方面來不斷改進處理器的性能。

但制造工藝的缺陷，導致了處理器功耗持續上升。大量研究表明，每推出一代新

型處理器，它的功耗是上一代處理器功耗的2倍，倘若芯片集成度達10億個，

處理器的自身功耗將會使人們一籌莫展。可見，有效解決微處理器的功耗和散熱

問題已成為當務之急。事實上一味追求微芯片集成度的提高，除了引發功耗，散

熱問題外，還會出現更多的問題，如線延遲問題、軟誤碼率現象等。

為了提高計算機的性能，除了提高微處理器的性能外，人們還努力通過開發指令

級并行性來實現?？墒窃谥噶罴壊⑿行詰弥?，又受到數據預測精度有限、指令

窗口不能過大以及順序程序固有特性的限制等，使得依靠開發指令級并行性來提

高計算機的性能又有很大的局限性。

雖然很多因素阻礙了微型計算機性能的不斷提高，可是隨著計算機的廣泛應用，

尤其是網絡技術的迅猛發展，人們依然在追求著機器性能的完美。例如，當前網

絡的環境基本上是讓計算機處于桌面固定的狀態，而人們更希望機器能圍繞人們

的需求轉，越來越方便地使用計算機，不希望機器局限于固定的桌面式應用，讓

機器以手持式或穿戴式以及其他形式，使之更具人性化，能和諧地融合于人們的

生活和工作之中。與此相適應的移動計算技術便應運而生。

移動計算模式迫切要求微處理器具有響應實時性、處理流式數據類型的能力、支

持數據級和線程級并行性、更高的存儲和I/O帶寬、低功耗、低設計復雜性和設

計的可伸縮性。

當前主流商用處理器大部分都是超標量結構，是一種在一個時鐘周期內同時發射

多條標量指令到多個功能部件以提高處理器性能的體系結構，若每周期發送4

條指令，己不能滿足日漸龐大的應用程序對高性能的需求。而繼續開發更大發射

帶寬的超標量結構將會導致處理器的邏輯設計復雜度大幅增加，正確性驗證變得

越來越困難。人們開始尋找新的體系結構來適應新的市場和不斷變化的應用需要。

從20世紀微處理器的發展來看，幾乎每3年處理器的性能就能提高4~5倍，但

是計算機中一些其他部件性能的提高速度達不到這個水平。因此，必須不斷調整

計算機的組成和結構，以彌補不同部件性能的不EL配問題。影響它們之間不匹配

的主要因素是處理器與主存之間的接口和處理器與外設之間的接口。

處理器與主存之間的接口是整個計算機最重要的通路，因為它要負責在主存與處

理器之間傳送指令和數據，如果主存或主存與處理器之間的傳送跟不上處理器的

要求，就會使處理器處于等待的狀態。為此，可加寬數據總線的寬度，在主存和

處理器之間設置高速緩沖存儲器（Cache）并發展成片內Cache和分級Cache,

采用高速總線和分層總線來緩沖和分流數據，從而提高處理器和存儲器之間的連

接帶寬。

處理器和外設之間也存在大量的數據傳輸要求，可通過各種緩沖機制、加上高速

互連總線以及更精致的總線結構來解決它們之間傳輸速率的不匹配問題。

因此，計算機的設計者們必須不斷平衡處理器、主存、I/O備和互連結構之間的

數據吞吐率和數據處理的需要，使計算機的性能越來越好。

從21世紀初來看，當前通用微處理器的發展重點將在以下幾方面。

①進一步提高復雜度來提高處理器性能。這種方法沿襲傳統的指令級并行方法

加速單線程應用，組織更寬的超標量，采用更多的功能部件、多級Cache和激進

的數據、控制以及指令軌跡預測，達到使用盡可能多的指令級并行

(Instruction-LevelParallelism,ILP)?例如，先進超標量處理器(Advanced

SuperscalarProcessor)、超前瞻處理器(SuperspeculativeProcessor)、多標量處

理器(MultiscalarProcessor)、數據標量處理器(DatascalarProcessor)和蹤跡

處理器(TraceProcessor)等。

②通過線程/進程級并行性的開發提高處理器的性能，即通過開發線程級并行性

(Thread-

LevelParallelism,TLP)或進程級并行性(Frocess-LevelParallelism,PLP)來提高

性能，簡化硬件設計。例如，多處理器(Multiprocesor)、單芯片處理器CMP

(On-chipMultiprocescr)、多線程處理器(Multi-ThreadedProcessor)以及同時

多線程處理器(SimultaneousMulti-ThreadingProcessor)、動態多線程處理器

(Dynamic-MultithreadedProcessor)和多路徑多線程處理器(ThreadedMultipath

Processor)等。

③將存儲器集成到處理器芯片內來提高處理器性能。采用ILP、TLP、PLP能大大

提高處理器內部指令執行的并行度，而指令和數據的供應是充分發揮這些技術的

關鍵問題。傳統上以處理器為中心的設計思想導致處理器把大量的復雜性花在解

決訪存延遲的問題上。然而處理器和存儲器性能的差距仍在以每年50%的速度增

大，使得訪存速度將成為未來提高處理器性能的主要瓶頸?；诖?PIM(Processor

InMemory)技術提出將處理器和存儲器集成在同一個芯片上，這樣可使訪芬延

時減少5~10倍以上，存儲器帶寬可增加50~100倍以上。大多數情況下，整個應

用在運行期間都可放到片上存儲器里。將存儲器集成到處理器芯片上后，原來用

于增加處理器一存儲器帶寬的大量存儲總線引腳可以被節省下來用于增加I/O帶

寬，這將有利于提高未來大量的網絡應用性能，并且能減少對片外存儲器的訪問，

使處理器的功耗大大降低。

④發展嵌入式處理器。由于嵌入式應用需求的廣泛性，以及大部分應用功能單

一、性質確定的特點，決定了嵌入式處理器實現高性能的途徑與通用處理器有所

不同。目前嵌入式處理錯大多是針對專門的應用領域進行專門設計來滿足高性能、

低成本和低功耗的要求。例如，視頻游戲控制需要很高的圖形處理能力；手持、

掌上、移動和網絡PC要求具備虛存管理和標準的外圍設備：手機和個人移動通

信設備要求在具有高性能和數字信號處理能力的同時具有超低功耗；調制解調器、

傳真機和打印機要求低成本的處理器；機頂盒和DVD.則要求高度的集成性；數

字相機要求既有通用性又有圖像處理能力。

R前嵌入式處理器的高性能和低成本技術發展趨勢是：體系結構需要在新技術與

產品、市場和應用需求之間取得平衡；設計方法趨向于走專用、定制和自動化的

道路。

2.1.3軟件技術的興起和發展

計算機剛剛問世時，還未建立“軟件〃這一概念，隨著計算機的發展及應用范圍的

擴大，逐漸形成了軟件系統。

在早期的計算機中，使用者必須根據機器自身能識別的語言一一機器語言（機器

指令）按解題要求編寫出機器可直接運行的程序。由于機器不同，機器語言也不

同，因此人們在不同的機器上編程，就需熟悉不同機器的機器指令，使用極不方

便，寫出的程序很難讀懂。20世紀50年代后，逐漸形成了符號語言和匯編語言，

這種語言雖然可以不用0/1代碼編程，改善了程序的可讀性，但它們仍是面向機

器的，即不同的機器各自有不同的匯編語言。為了使這種符號語言轉變成機器能

識別的語言，人們又創造了匯編程序，用于把匯編語言翻譯成機器語言。

為了擺脫對具體機器的依賴，在匯編語言之后又出現了面向問題的高級語言。使

用高級語言編程可以不了解機器的結構，高級語言的語句通常是一個或一組英語

詞匯，詞義本身反映出命令的功能，它比較接近人們習慣用的自然語言和數學語

言，使程序具有很強的可讀性。高級語言的發展經歷了幾個階段。第一階段的代

表語言是1954年問世的FORTRAN,它主要面向科學計算和工程計算。第二階段

可視為結構化程序設計階段，其代表是1968年問世的PASCAL語言，它定義了

一個真正的標準語言，按嚴謹的結構化程序編程，具有豐富的數據類型，寫出的

程序易讀懂、易查錯。第三階段是面向對象程序設計階段，其代表語言是C++。

近年來隨著網絡技術的不斷發展，又出現了更適應網絡環境的面向對象的Java

語言，而且隨著Internet技術的發展和應用,Java語言越來越受到人們普遍歡迎。

為了使高級語言描述的算法在機器上執行，同樣需要有一個翻譯系統，于是產生

了編譯程序和解釋程序，它們能把高級語言翻譯成機器語言。

可見，隨著各種語言的出現，匯編程序、編譯程序、解釋程序的產生，逐漸形成

了軟件系統。隨著計算機應用領域的不斷擴大，外部設備的增多，為了使計算機

資源讓更多用戶共享，又出現了操作系統。操作系統能協調管理計算機中各種軟

件、硬件及其他信息資源，并能調度用戶的作業程序，使多個用戶能有效地共用

一套計算機系統。操作系統的出現使計算機的使用效率成倍地提高，并且為用戶

提供了方便的使用手段和令人滿意的服務質量。例如，DOS、UNIX和Windows

等。

此外，一些服務性程序，如裝配程序、調試程序、診斷程序和排錯程序等，也逐

漸形成。特別是隨著計算機在信息處理、情報檢索及各種管理系統中應用的發展,

要求大量處理某些數據，建立和檢索大量的表格。這些數據和表格按一定的規律

組織起來，使用戶使用更方便，于是出現了數據庫。數據庫和數據管理軟件一起

便組成了數據庫管理系統。而且隨著網絡的發展，又產生了網絡軟件等。

以上所述的各種軟件均屬于系統軟件，而軟件發展的另一個主要內容就是應用軟

件。應用軟件種類繁多，它是用戶在各自的行業中開發和使用的各種程序。如各

種財務軟件、辦公用的文字處理和排版軟件、幫助管理日常業務工作和圖文報表

的〃電子表格〃和“數據庫〃軟件、幫助工程設計的CAD軟件以及各種實用的網絡通

信軟件等.

軟件發展有以下幾個特點。

（1）開發周期長

研制一個軟件往往因其規模龐大而需較長的開發周期。例如，美國穿梭號宇宙飛

船的軟件包含4000萬行目標代碼，倘若一個人一年開發一萬行程序，則需集中

4000人花一年時間才能完成，而且要做到4000人的默契配合，涉及種種技術問

題的協調，如分析方法、設計方法、形式說明方法、版本標準等都得有嚴格為規

范，其難度遠遠超過自動化程度極高的硬件制造。

（2）制作成本昂貴

超大規模集成電路技術給硬件制造業帶來巨大利益，使硬件的價格不斷下降，使

一臺普通的微型計算機的價格與一臺彩色電視機的價格相當，而且還在下降?？?/p>

是軟件的開發完全依賴于人工，致使軟件開發成本不斷上漲，在美國，軟件成本

約占計算機系統總成本的90%,已成為司空見慣的現象。

（3）檢測軟件產品質量的特殊性

一種軟件在剛開始推出時，主要實現其面向領域所需的核心功能，之后逐步集成

大量的附加功能。也就是說，要完善一個軟件產品，必須在應用過程中不斷加以

修改、補充。只有使用了一定時間后，才能對軟件產品質量進行確定。

盡管軟件技術興起和發展比硬件晚，而且其發展速度沒有硬件快（如微處理器的

性能以Moore定律所述的兒何級數增長），但是仍可以說，如果沒有當今的軟

件技術，計算機系統和應用的發展也不會有今天這樣的成就?？陀^地說，軟件的

發展不斷激勵著微處理器和存儲溶性能的增長。

世界各國當前都十分重視軟件人才的培養和軟件產業的形成，但實際上它們都很

難與當前計算機應用普及的廣度和深度相適應。也正因為如此，有些軟件開發商

瞄準了特定的市場，一旦在性能、質量占到上風時，就會很快積聚財富，成為新

的世界級富商。例如，美國微軟公司十來年的發展就超過傳統工業（如汽車制造

業），同樣微軟的組建者也很快成為現代世界最大富商之一。

在二三十年軟件開發的實踐中，人們對軟件開發也逐漸有了較深刻的認識，逐漸

體會到軟件不是簡單的編寫程序，欲開發成一個優良的軟件，和開發其他產品一

樣，必須明確開發要求，然后做可行性分析，確定基本方法，進行需求分析，再

深入到用戶核準需求，取得一致意見后才能進入軟件設計階段。因此，程序只是

完成整個軟件產品的一個組成部分，軟件生存周期的各個階段都是以文檔資料形

式存在。正如著名軟件工程專家Boehm曾經指出：“軟件是程序以及開發、使用

和維護程序需要的所有文檔?！梢娷浖_發不是某種個體勞動的神秘技巧，它

是一個組織良好、管理嚴密、各類人員協同配合共同完成軟件工程的全過程。只

有這樣才能保證軟件工程的順利完成，并能節省大量開發費用；否則將會陷入事

倍功半、長期無法正常運行的困境。

2.2計算機的應用

自ENIAC間世后將近30余年的時間里，計算機一直被作為大學和研究機構的嬌

貴設備。在20世紀70年代中后期，大規模集成二藝日趨成熟，微芯片上集成的

晶體管數一直按每3年翻兩番的Moore定律增長，微處理器的性能也按此幾何

級數提高，而價格也以同樣的幾何級數下降，以至于以前需花數百萬美元的機器

（如80MFLOPS的CRAY）變得價值僅為數千美元（而此類機器的性能可達

200MFLOPS）,至于對性能不高的微處理器芯片而言，僅花數美元就可購到。因

此，人們終于使計算機走出了實驗室而滲透到各個領域，乃至走進普通百姓的家

中。當然，除了計算機的價格迅速降低以外，計算機軟件技術日趨完臻也是計算

機獲得廣泛應用的重要原因。尤其是近年來計算機技術和通信技術相互融合，出

現了溝通全球的Internet,使計算機的應用范圍從科學計算、數據處理等傳統領

域擴展到辦公自動化、多媒體、電子商務、虛擬工廠、遠程教育等，遍及社會、

政治、經濟、軍事、科技以及個人文化生活和家庭生活的各個角落。

2.2.1科學計算和數據處理

1.科學計算

科學計算一直是計算機的重要應用領域之一。其特點是計算量大和數值變化范圍

大。在天文學、量子化學、空氣動力學和核物理學等領域都要依靠計算機進行復

雜的運算。例如，人們日常生活難以擺脫的天氣預報,要知道第二天的氣候變化，

采用1MIPS的計算機頃刻間便可獲得。倘若想預報一個月乃至一年的氣候變化,

使各地提前做好防汛、防早等工作，則100MIPS或更高的計算機才能滿足?，F代

的航空、航天技術，如超音速飛行器的設計、人造衛星和運載火箭軌道的計算,

也都離不開高速運算的計算機。

此外，計算機在其他學科和工程設計方面，諸如數學、力學、晶體結構分析、石

油勘探、橋梁設計、建筑、土木工程設計等領域內，都得到了廣泛的應用。

2.數據處理

數據處理也是計算機的重要應用領域之一。早在20世紀五六十年代，人們就把

大批復雜的事務數據交給了計算機處理，如政府機關公文、報表和檔案。大銀行、

大公司、大企業的財務、人事、物料，包括市場預測、情報檢索、經營決策、生

產管理等大量的數據信息，都由計算機收集、存儲、整理、檢索、統計、修改、

增刪等，并由此獲得某種決策數據或趨勢，供各級決策指揮者參考。

2.2.2工業控制和實時控制

通過各種傳感器獲得的各種物理信號經轉換為可測可控的數字信號后，再經計算

機運算，根據偏差，驅動執行機構來調整，便可達到控制的目的。這種應用已被

廣泛用于冶金、機械、紡織、化工、電力、造紙等行業中。

目前的工業控制遠比20世紀六七十年代先進得多。新型的工業自動控制系統以

標準的工業計算機軟、硬件平臺構成集成系統，取代了傳統的封閉式系統，具有

更強的適應性，更好的開放性，更易于擴展，更經濟、更短的開發周期等顯著優

點。通常將工控系統分為3層：控制層、監控層和管理層?？刂茖邮亲钕聦?，它

是通過各種傳感器來獲得各種有效信號的。監控層下連控制層，上連管理層，它

不但實現對現場的實時監測與控制，而且常在自動控制系統中完成上傳下達，組

態開發的重要作用。特別是組態軟件的出現，使數據采集、過程控制變得十分簡

單，它為用戶提供良好的開發界面和簡捷的使用方法，使用各種軟件模塊可以非

常容易地實現和完成監控層的各種功能。就目前發展趨勢而言，工業控制的應用

已經向控管一體化方向發展，利用網絡技術，通過傳感技術和多媒體技術，操作

者可以在控制室內通過大屏幕顯示，了解各車間、各工位、各部門的生產運行情

況，并可直接由控制室發出各種控制命令，指揮全廠正常工作。

在軍事卜?導彈的發射及飛行軌道的計算捽制、先進的防空系統等現代化軍事設

施，通常也都是由計算機構成的控制系統，其中包括雷達、地面設施、海上裝備

等。例如，將計算機嵌入到導彈的彈頭內，利用衛星定位系統，將飛行目標和飛

行軌跡事先存儲在彈載計算機內，導彈在飛行中對實際飛行軌跡進行不斷修正,

直接襲擊目標，其命中率幾乎接近100%。美國在海灣戰爭以及后來的軍事沖突

中，計算機實時控制技術發揮了極為突出的作用。

此外，2003年和2005年我國發射的載人宇宙飛船都屬于實時控制的應用范疇。

2.2.3網絡技術的應用

促使計算機網絡誕生的最早動機在于實現硬件資源的共享。當時計算機十分昂貴,

人們希望能遠距離利用計算機，因此在1954年第一次實現了將穿孔卡上的數據

從電話線發送到遠方的計算機來完成運算，這可以說是計算機網絡的雛形，可見

網絡技術的基礎是計算機技術與通信技術的結合。

1992年美國政府提出了“國家信息基礎設施計劃〃，1993年西方七國提出〃全球信

息基礎設施計劃〃，整人世界隨著通信技術和計算機技術的結合，在21世紀到來

前，一個嶄新的全球性的Internet正在形成，并正以更新的姿態訖立在世界的頂

端。由于全球網絡化消除了人們之間因時間、距離和地理界限所形成的障礙，從

而使各國人們在技術交流、商品交換、文化傳遞、感情溝通等方面變得十分迅捷，

十分方便。如果再有性能良好的語言翻譯機（實際上目前已經有翻譯機了），那

么原有的隔閡和障礙可能會全部消失。正因如此，Internet的發展規模和速度達

到了驚人的程度，人們稱之為新Moore定律，全球入網量每6個月翻一番。據

2007年1月國外網站統計，全世界上網的計算機已超過4.3億臺，上網人數已達

11億。據中國互聯網發展狀況2007年1月的統計報告，至2006年年底，我國

網民人數達1.37億，比2005年增加2600萬，增長率為23.4%,上網計算機達

5940萬臺，比2005年增加990萬臺，增長率為20%。如果從有Internet開始計

算，僅4年的時間網上計算機達5000萬臺，相比之下，全世界5000萬用戶擁有

電視機卻花了13年，擁有收音機經歷了38年，擁有電話的時間就更長了。可見

網絡的發展速度大大超過了電視機、收音機和電話。可以斷言，全球網絡化不僅

改變著商務經濟、工業生產、科技發展，還必將影響人們的工作、娛樂和生活，

它正在改變著整個世界。

網絡應用涉及方方面面，在此僅舉幾個例子。

1.電子商務

.電子商務的含義是任何一個組織機構可利用Internet來改變他們與客戶、供應商、

業務伙伴和內部員工的交流，也可以認為是消費者、銷售者和結算部門之間利用

Intermet完成商品采購和支付的過程。例如：某企業可以通過在Intermet上的網

頁向全球發布推出的商品，并向他的各地代理商發出各種指令；當某客戶欲購此

商品時，他可以通過網上直接與生產企業聯絡，也可與各地代理商聯系，進一步

了解該商品的性能，并將其姓名、地址、個人電子賬號及送貨要求等告訴賣主。

企業或經銷商通過Internet與銀行聯絡，查詢核實該客戶的資金狀況，并通過協

定的支付方式由銀行實行電子支付，而商品則由企業經銷商直接送到客戶手中。

這種簡捷、可靠的商品銷售方式可從根本上改變傳統的銷售方式。它可以不要傳

統意義上的店鋪，而直接用電子店鋪來取代；可以一夜之間將自己的品牌通告全

世界；可以實現公平競爭，小企業不必驚怕大企業的廣告效應，大企業也不必顧

慮小企業的快速應變能力，各自都可以通過網上信息進行競爭；可以取消紙幣交

易的各種弊端，完全實現電子貨幣交換；可以減少很多中間環節，以最高效率、

最省人力、最廣泛的市場實現商品的全球交換。目前世界各國都在蓬勃發展電子

商務，我國的電子商務也在各種城市陸續展開。

2.網絡教育

傳統的老師講、學生聽的課堂授教模式隨著全球網絡化的發展，將會在〃知識爆

炸〃①時代逐漸被淘汰或更新。IH教學模式的最大缺點是，作為受知主體的學生

在教學過程中自始至終處于受灌輸的被動

①英國技術預測專家詹姆斯?馬丁測算結果表明：人類知識到19世紀50年代增

加了I倍；20世紀初是每10年增加1倍；20世紀70年代則是每5年增加I倍;

近10年大約每3年增加1倍，故稱為“知識爆炸〃。

地位，其主動性、積極性難以發揮，學生無法主動探索，主動發現社會上、國際

上的信息資源，很難培養具有.〃信息能力〃的勞動者。因此，不利于創新能力的形

成和創新型人才的成長。此外，這種模式受場地、空間的限制，投資大，受眾有

限，不能適應各種學科的終身教育和全面教育。

通過教育網絡，學生受教可以不受時間、空間和地域的限制，通過網絡伸展到全

球的每個角落，建立真正意義上的開放式的虛擬學校，每個學生可以在任意時間、

任意地點通過網絡自由地學習。不論學生的貧富貴賤都可以"聆聽〃一流老師的指

導，都可以向世界最權威的專家請教，都可以從世界任何角落獲取最新的信息和

資料。到那時可以說，任何人都享有高等教育和終身教育的可能。這種基于網絡

的教育模式，不僅美、英、日等發達國家在積極實施，我國在有條件的地區和省

市也正在加速啟動建設教育網絡，實現由傳統教育體制、教學模式向全新教育體

制、教學模式的轉變，實現教育的重大革新，滿足21世紀人才培養的需求。

3.敏捷制造

隨著全球信息網絡技術的發展，對制造業的制造模式和企業的組成及管理模式也

產生了極大影響，新的被稱為21世紀制造模式的敏捷制造由此而生。敏捷制造

由兩部分組成：敏捷制造的基礎結構和敏捷制造的虛擬企業。前者為形成虛擬企

業提供環境和條件，后者對市場不可預期的變化做出迅速響應。

當出現某種市場機遇時，由敏捷制造基礎結構所形成的虛擬企業通過網上聯絡若

干個具有核心資格的組織者，他們以各自的資金、技術、廠房、設備等優勢，通

過國家的法律和彼此的合同，組建成一個虛擬企業。該企業不必有集中的辦公場

地和固定的組織機構，完全通過網絡實現產品的技術設計、制造、網上銷售和網

上服務，充分發揮各自的優勢，以最優化的組合、最低的成本獲取最大的利潤。

這種虛擬企業是在敏捷制造基礎結構環境下形成的獨立的、實體性的、社會性的

團體，同時又是一個動態的聯盟，他們可以根據市場的變化和要求，解散原來的

虛擬企業，而與新的伙伴組成新的虛擬企業?？梢?，網絡技術的發展對社會原來

的固定企業結構形式構成了嚴峻的挑戰。

以上僅就幾個方面列舉了全球網絡化對整個社會經濟、文化、教育、工業制造等

方面的影響。實際上，由于網絡技術的發展，現在已經形成了虛擬圖書館、虛擬

醫院、虛擬商場、虛擬娛樂場所等。事實上Internet早已從對經濟的干預發展到

對政治的干預。例如，美國前總統克林頓，從他的緋聞到國會彈劾，直至幸免彈

劾，都與網民的直接參與分不開。又如非洲尼日利亞總統大選，兩名主要的候選

人都為選舉分別建立了各自的網站。再如在英國戴安娜王妃和英國王室的眾多網

站上，充滿政治性的竊竊私語已司空見慣?？梢哉f全球的網絡化必將進一步改變

整個世界C

2.2.4虛擬現實

虛擬現實是利用計算機生成的一種模擬環境，通過多種傳感設備使用戶〃投入〃

到該環境中，達到用戶與環境直接進行交互的目的。這種模擬環境是用計算機構

成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一特定現實世界的真實寫照，也可以

是純粹構想出來的世界。這類技術雖然早在20世紀60年代初就開始研究，但只

有在計算機技術迅速發展的今天，各種傳感設備以及計算機價格的不斷降低，軟

件系統的日趨完善.如實時二維圖形生成及顯示、二維聲音定位與合成、環境建

模等技術的發展，才有可能使虛擬現實技術獲得迅速發展和廣泛應用。虛擬現實

在軍事、教育、航天、航空、娛樂、生活中的應用不僅會改變人們的思維方式和

生活方式，還必將導致一場重大的技術革命。

下面列舉兩個例子以示虛擬現實的巨大魅力。

虛擬演播室近年來已成為影視制作的熱點，它綜合運用現代計算機圖形和圖像處

理、計算機視覺和現代影視技術，將攝像機拍攝的圖像實時地與計算機三維虛擬

背景或另一地點實拍的背景，按統一的三維透視成像關系進行合成，從而形成一

種新的影視節目，其效果是傳統影視制作無可比擬的。在虛擬演播室里，演員可

以在沒有任何道具的舞臺上演戲，然后根據劇情需要用計算機制作的畫面進行合

成。不僅如此，演員也可以是虛擬的，可以根據事先拍好的演員鏡頭，利用演技

數據，用計算機圖形學技術制作演員的特定動作，這對于一些特技的制作格外重

要。這種在虛擬演播室制作的影視劇大大降低了制作成本，縮短了制作時間，并

且可以制作更有魅力的藝術作品。

飛行員與汽車駕駛員的仿真訓練系統也都廣泛應用了虛擬現實技術。在飛行仿真

訓練系統中，要形成真實的飛行環境和飛行員的真實感覺.例如，在環境圖像生

成中，以50Hz的頻率生成彩色圖像，而且具有紋理，還有亮點、透明、天氣效

果（如霧、雨、雪、晴、云等）、非線性圖像映射、碰撞檢測、高山地形、細節

模擬等。飛機著陸時跑道燈應按飛機著陸角度不同而變換顏色，并能確認飛機與

跑道上其他飛機甚至建筑物的相互距離。又如在虛擬現實仿真中，飛行員必須體

驗到真實K行的感覺，猶如在一個真實飛機的機艙里，每個儀表都必須像在真實

環境下工作，油表指示必須反映虛擬引擎對油的使用率，并且還必須精確地反映

動力和溫度。在飛機接觸跑道時，還必須有真實的沖擊感和震動感。顯然對于價

值數千萬美元的飛機來說，讓飛行員在仿真訓練系統中訓練，既不會危及人的生

命安仝，又不會損壞飛機，也不會造成公害，而且大大降低了訓練成本，所以各

類仿真模擬訓練器都已被廣泛應用。

2.2.5辦公自動化和管理信息系統

顧名思義，辦公自動化是利用計算機及自動化的辦公設備來替代〃筆、墨、紙、

硯〃及辦公人員的部分腦力、體力勞動，從而提高了辦公的質量和效率。例如，

利用計算機來起草文件；利用計算機來安排日常的各類公務活動，包括會議、會

客、外出購票；利用計算機來收集各類信息，將各類信息以電子數字形式存于數

據庫內，并可隨時進行查詢、檢索及修改。一個完整的辦公自動化系統將包括文

秘、財務、人事、資料、后勤等各項管理工作。近年來由于Intermet的應用，將

計算機、自動化辦公設備與通信技術相結合，使辦公自動化向更高層次發展。例

如，電子郵件的收發、遠距離會議或電視會議、高密度的電子文件、多媒體的信

息處理等將會獲得普遍應用。

與辦公自動化相應的信息管理系統是企業管理信息系統。由于信息技術的飛速發

展造就了一個統一的全球市場，導致世界范圍市場的激烈競爭。占領并主宰市場

的關鍵在于如何不斷開發獨占性的產品，不斷降低成本，以質優價廉的產品投入

市場。實現這個目標離不開信息管理，通過信息的獲取、分析，開發獨占性產品；

通過優化的信息管理，實現質優價廉產品的生產。目前世界各國的企業都充分利

用信息技術與現代化管理相結合來產生最優化的生產模式、管理模式、設計技術

和制造技術。

在企業建立一個管理信息系統，對內完成Intranet的建立，對外實現與Internet

相連。通過外部可以迅速了解市.場需求和展開全球銷售活動，對內可以實現物資

采購、生產調度、能耗控制、質量監控等，以最少的庫存、最低的能源消耗、最

快的生產周期、最佳的售后服務來提高企業的競爭力，并合理地組織各類人才，

做出科學的決策，實現企業利潤的最大化。

2.2.6CAD/CAM/CIMS

20世紀70年代中期，在現代工業生產領域中，已經開始利用計算機來參與產品

輔助設計、產品輔助工藝設計、產品模擬樣機、產品輔助制造，直至產品制造系

統。到了20世紀80年代，這類計算機輔助技術(統稱為CAX)有了更高速的發

展.目前可以說在機械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化T、建筑等

各行各業中，CAX獲得了極其廣泛的應用，不僅提高了產品設計生產自動化的程

度，而且給傳統性的生產發展帶來了革命性的變化。

1.CAD

計算機輔助設計(ComputerAidedDesign,CAD)按設計任務書的要求，可進行

各種設計方案的比較，確定產品結構、外形尺寸、材料選擇、模擬組裝；再對模

擬整機進行各種性能測試，包括強度分析?、振動分析?、運動狀態分析等；并任意

修正，從性能的先進性、經濟的合理性、加工的可行性等方面進行論證，獲得最

終的設計產品；然后將其分解為零件、分裝部件，并給出零件圖、分部裝配圖、

總體裝配圖等。上述全部工作都可以由計算機來完成，大大降低了產品設計的成

本，縮短了產品設計的周期，最大限度地降低了產品設計的風險。因此CAD技

術已被各制造業廣泛應用。目前，隨著計算機軟、硬件技術的發展，已經可以利

用計算機實現產品創意設計，設計者可以提出一個朦朧的思想，在計算機上進行

概念設計，并進行不斷修改與完善，最后確定一種新穎的產品。

2.CAM

計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)是以數控機床為主體，

利用存有全部加工資料的數據庫(如刀具、夾具和各種零件的加工程序，以及在

加工過程中的自動換刀及加工數據的控制)，實現對產品加工的自動化。目前人

們已經將數控、物料流控制及存儲、機器人、柔性制造、生產過程仿真等計算機

相關控制技術統稱為計算機輔助制造。

利用計算機參與人腦的輔助工作非常普遍，而且還在不斷開拓新的領域，如計算

機輔助工藝規劃(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP),計算機輔助工程

(ComputprAidpdFnginppring.CAF)及計算機輔助教學(CcmputerAssisted

Instruction,CAI)等都得到越來越廣泛的應用。

3.CIMS

計算機集成制造系統(Compute門ntegratedManufacturingSystems,ClMS)是利

用信息技術和現代管理技術改造傳統制造業、加強新興制造業、提高企業市場競

爭能力的一種生產模式。具體而言，以企業選定的產品為龍頭，在產品設計過程、

管理決策過程、加工制造過程、產品質量管理和控制等過程中，采用各種計算機

輔助技術和先進的科學管理方法，在計算機網絡和數據庫的支持下，實現信息集

成，進而優化企業運行，達到產品上市快、質量好、成本低、服務好的目的，以

此提高產品的市場占有率和企業的市場競爭能力。顯然，要形成計算機集成制造

系統的企業，必須廣泛地采用CAD/CAE/CAPP/CAM,并且已經建立了企業的管理

信息系統(ManagementInformationSystem,MIS),只有通過生產、經營各個

環節的信息集成，支持技術集成，并由技術集成進入技術、經營管理和人員組織

的集成，最終達到物流、信息流、資金流的集成并優化運行，才能提高企業的市

場競爭能力和應變能力。

2.2.7多媒體技術

多媒體技術是計算機技術和視頻、音頻及通信等技術相結合的產物。它是用來實

現人和計算機交互地市各種媒體(如文字、圖形、影像、音頻、視頻、動畫等)

進行采集、傳輸、轉換、編輯、存儲、管理，并由計算機綜合處理為文字、圖形、

動畫、音響、影像等視聽信息而有機合成的新媒體。因此它可以將原來僅能體現

或保存一種媒體的設備或手段轉換為由計算機集成。例如，傳統的音響設備只能

錄音、放音；檔案庫只能存檔文件；圖書館只能收藏書籍；電視只能提供音頻和

視頻信息：電話只能傳遞語音等。而今用多媒體技術可以使聲、圖、文合成后全

部集成到計算機中。同時，利用計算機還可以制作、創造新的媒體信息，如合成

音樂、電子動畫等。它不但使社會顯得格外絢麗多彩，生活顯得格外富有幻想,

而且會對政治、經濟、軍事、工業、環境等都產生巨大的影響，例如，飛行仿真

訓練系統、虛擬演播室等都離不開多媒體技術。它的深遠意義還會影響未來計算

機人工智能技術的發展。因此，有關多媒體技術的研究和應用也是當前計算機技

術的熱點之一。

2.2.8人工智能

人工智能是專門研究如何使計算機來模擬人的智能的技術。盡管經過了近半個世

紀的努力，被人們稱為〃電腦〃的計算機與人腦相比，仍無法相提并論。例如，集

成度達1億個晶體管的處理器芯片仍然無法與人類的10”~102個神經元相比，因

為每個神經元遠不是一個晶體管，很可能相當于一臺高速運行的處理器。可見〃電

腦〃要真正模擬人腦，特別是要使電腦具有人的經驗知識以及通過聯想、比擬、

推斷來做出決策的功能，至少從目前來看還有相當距離。

盡管如此，人們還是想盡一切辦法，賦予〃電腦〃一部分人腦的智力，并且還在不

斷擴大和增強這種智力.近年來在模式識別、語音識別、專家系統和機器人制作

方面都取得了很大的成就。

模式識別是指對某些感興趣的客體進行定量的或結構的描述，研究一種自動生成

技術，由計算機自動地把待識別的模式分配到各自的模式類中。由此技術派生的

圖像處理技術和圖像識別技術已被廣泛應用。側如，對人體細胞顯微圖像分析，

可確定內臟是否發生病變；對動、植物細胞顯微圖像分析，可確定環境是否被污

染；對地表植物經遙感圖像分析，可判斷作物的長勢等；還包括公安系統的指紋

分辨及身份、證件、憑證鑒別等。

文字/語音識別、語言翻譯是人工智能的又一重要應用領域。自計算機問世后，

人們就企圖讓計算機來承擔文字、語言的翻譯工作，實際上讓計算機正確認識文

字和語音，正確理解自然語言，實現正確的語言翻譯還是十分困難的。雖然經過

兒十年的努力，目前已有了很大的進展，如手寫體的計算機輸入系統已被廣泛使

用，語音錄入計算機的軟件也開始在市場上問世，當然它的正確識辨率還有待進

一步提高。此外，在自然語言理解的基礎上研制成的文字/語言翻譯機也在陸續

問世，但離人們的實用要求還有一定距離，不過這些技術的突破是指日可待的，

使計算機會聽、會看、會說的時代已經不是很遙遠了。

專家系統是人工智能的另一重要應用領域。它是利用計算機構成存儲量極大的知

識庫，把各類專家豐富的知識和經驗，以數據形式存儲于知識庫內，通過專用軟

件，根據用戶輸入查詢的要求，向用戶做出所要求的解答。這種系統早己被廣泛

應用在醫學、工程、軍事、法律等領域，尤其是Internet的出現，更可以構成遠

程虛擬醫療、虛擬課堂、虛擬考試等。機器人的出現也是人工智能領域的一項重

要應用。通常人們讓機器人做一些重復性的勞動，特別是在一些不適宜人們工作

的勞動場所，機器人的應用顯得格外重要。例如，海底探測，人在海底的時旬是

非常有限的.如果讓機器人進行海底探測就方便多了?？梢宰寵C器人配上攝像機,

構成它的眼睛；配上雙聲道的聲音接收器，變成它的耳朵；再配上合適的機械裝

置，使它可以活動、觸摸、承受各種信息并直接送到計算機進行處理，這樣它就

可以模仿人完成海底探測?，F在還有一些更高級的“智能機器人〃，具有一定的感

知和識別能力，還能簡單地說話和回答問題?？傊?，隨著科學技術的不斷發展，

更高級的機器人將會不斷出現。

2.3計算機的展望

從1946年ENIAC問世至今，60年來計算機技術的進步推動了計算機的發展和廣

泛的應用，使計算機在人類的全部活動領域里占有極為重要的地位。從超級巨型

機到心臟起搏器，從電話網絡到汽車的汽化器無處不在，無所不及，幾乎能填補

甚至取代各類信息處理器，成為人類最得力的助手。

世界上不少科學家預言，到了2046年人類社會幾乎所有的知識和信息將全部融

入于計算機空間，而任何人在任何地方任何時間都可以通過網絡，對所有的知識

和信息進行在線獲取。這個預測是大家所希望的，也是必定會實現的。計算機空

間將會為嶄新的信息方式、娛樂方式和教育方式提供基礎.并會提供新層次的個

人服務和健康保健，最大的受益將是人們可以在遠距離與他人進行全感知的交流。

這種計算機應該具有類似人腦的一些超級智能，具有類似人腦的自組織、自適應、

自聯想、自修復的能力。人腦的這種功能要求信息處理的計算機速度至少達每秒

1013,存儲容量至少為10玷字節，當然還需要相應的軟件支持。倘若計算機的

計算速度和存儲容量達不到這個指標，那么所謂超級智能計算機只能是一種幻想。

因此，盡管20世紀七八十年代，人工智能的研究曾一度出現高潮，特別是三本

投入了大量的資金，做了很大的努力，但超級智能計算機的實現遠比想像的要艱

難得多。

顯然，欲實現上述目標，首當其沖的應該是努力提高處理器的主頻。硅芯片微處

理器主頻與其集成度緊密相關，但是實現起來并非易事。其一，硅芯片的集成度

又受其物理極限的制約，集成度不可能無止境地提高，當集成電路的線寬達到僅

為單個分子大小的物理極限時，意味著硅芯片的集成度己到了窮途末路的境地。

其二，由于硅芯片集成度提高時，其制作成本也在不斷提高，即在微電子工藝發

展中還遵循另一規律：“每代芯片的成本大約為前一代芯片成本的兩倍〃。一般來

說,建造一個生產工藝芯片的車間大約需億美元，

20-25

而使用0.18/mu/m。仍Tmm工藝時，費用將躍到30~40億美元。按幾何級數遞增

的制作成本情況發展，數年內該費用將達100億美元,致使企業無法承受。其三，

正如前述，隨著集成度的提高，微處理器內部的功耗、散熱、線延遲等一系列問

題將難以解決。因此Intel公司工程師保羅?帕肯在近年來發表了駭人聽聞的預測，

認為硅芯片技術10年后將走到盡頭并非偶然。

盡管如此，人類對美好愿望的追求是無止境的，決不會因硅芯片的終結而放棄超

級智能計算機的研制。

那么究竟誰能接過傳統硅芯片發展的接力棒呢？多年來，科學家們把眼光都凝聚

在光計算機、生物計算機和量子計算機上，面量子計算機被寄托了極大的希望。

光計算機利用光子取代電子進行運算和存儲，用不同波長的光代表不同數據，可

快速完成復雜計算。然而要想制造光計算機，需下發出可用一條光束控制另一條

光束變化的光學品體管?，F有的光學晶體管龐大而笨拙，用其制造臺式計算機將

有一輛汽車那么大。因此，光計算機短期內難以進入實用階段。

DNA（脫氧核糖核酸）生物計算機是美國南加州大學阿德拉曼博士1994年提出

的奇思妙想，它通過控制DNA分子間的生化反應完成運算。但目前流行的DNA

計算技術必須將DNA溶于試管液體中。這種計算機由一堆裝有有機液體的試管

組成，雖然看起來很神奇，但很笨拙。這一問題得不到解決，DNA計算機在可預

見的未來將難以取代硅芯片計算機。

與前兩者相比，量子計算機的前景尤為光明。量子這種常人難以理解的特性，使

得具有5000個量子位的量子計算機能在約30s內解決傳統硅芯片超級計算機要

在100億年才能解決的大數因子分解問題.

量子計算機是利用原子所具有的量子特性進行信息處理的一種全新概念的計算

機。原子會旋轉，而且不是向上就是向下，正好與數位科技的〃0〃與完全吻合。

既然原子可以同時向上并向下旋轉，如果把一群原子聚在一起，它們不會像現在

的計算機進行線性運算，而是可以同時進行所有可能的運算。只要有40個原子

一起計算，就可達到相當于現在一部超級計算機的同等性能。專家們認為，如果

有一個包含全球電話號碼的資料庫，找出一個特定的電話號碼，一部量子計算機

只要27min,而同樣的工作交付給10臺IBM〃深藍"超級計算機同時運作，也至少

需要幾個月的時間才能完成。量子計算機以處于量子狀態的原子作為中央處理器

和內存，其運算能力比目前的硅芯片為電路基礎的傳統計算機要快幾億倍。

當利用高速運行的量子計算機后，再結合現代計算機采用高并行度的體系結構，

通過大量高速處理器的高寬帶局域網的連接，使它具有類似人腦的高并行性的本

質。預計人類級的智能所需的硬件可能在21世紀的前1/4的時間內實現，與20

世紀70年代只夠得上“昆蟲級〃智能的計算機硬件能力相比，顯然人們對超級智

能計算機的研制更充滿信心。

超級智能計算機不僅需要有硬件支摟,而且還必須有軟件支持.模擬大腦功能創

建超級智能計算機，除了通過足夠的硬件能力和適應計算機學習的軟件外，還需

有足夠的初始體系結構和豐富的感官輸人流。當前的技術對后者已經很容易滿足,

如采用視覺照相機、揚聲器和各類觸覺傳感器，能保證特定的實時世界信息流流

入計算機。而前者則更難實現，因為大腦并非一開始就是一片空白。它有一個遺

傳可編碼的初始結構，存在著神經皮層可塑性、大腦皮層的相似性及進化的論點。

這些問題的解決必須隨著神經科學的進一步發展，在對人腦的神經結構和它的學

習算法了解得足夠多的前提下，在具有很強計算能力的計算機上實現復制。科學

家估計大約在今后10多年內，采用當前的設備支持輸入輸出渠道，對人腦繼續

研究，發現新的計算機學習方法和對新神經科學的深入研究，超級智能計算機的

出現是勢不可擋的必然趨勢，只是時間問題。

21世紀除了人們繼續追求超級智能計算機的問世外，更引起人們注目的是價格

低廉、使用方便、體積更小、外形多變、具有人性化的計算機的研究和應用。

雖然計算機強大的功能使它能處理相當多的事務，但至今還存在不盡如人意的缺

點。因此，普及面仍未達到應有的程度。其原因主要在于對絕大多數人而言，還

不能非常方便地對它進行操作，而且很難適應各種場合的需要。因此，除了繼續

提高芯片主頻外，在輸入輸出方式上應有更多的性能突破。輸入愉出方式將更多

樣化和更人性化。除了手寫分辨率和速度進一步提高外，語音輸入輸出將隨時可

見，包括汽車、家電、電話、電視、玩具、手表等0而且還可用人的手勢、表情、

眼睛瞳孔的位置，甚至利用人體的氣味、體溫來控制輸入。三維圖像輸出將能實

時地合成真實的視頻圖像，包括完整的戲劇電影，還允許計算機合成的圖像和人

面對面交談。平面液晶顯示器將可以像眼鏡一般戴在臉上，構成可移動的計算機。

計算機的外形及尺寸大小將隨著不同的對象和環境而變化，甚至朝著個人化量體

定做的方向發展。特別是嵌人式的計算機，可以遍及汽車、房間、車站、機場及

各種建筑場,使用者利用隨身攜帶的信息操作器具，無須做任何連接方式，利用

紅外線傳輸方式，隨時從公共場所服務器主機上接收所需的信息，包括個人的電

子郵件等。尤其是個人身上穿戴的計算機連同身二網絡，可以隨時隨地照顧用戶

健康、安全，并幫助用戶在復雜的物理空間環境中工作，如汽車、飛機駕馭等。

在普及型的計算機發展同時，大型系統也將獲得巨大發展，將來由低價、通用的

多處理機組成的群機系統來替代單一的大型系統。在這個群機系統中，每個計算

機通過快速的系統級網絡（SAN）和其他計算機通信。群機系統可以擴展到上千

個結點，對于數據庫和即時事務處理（OLTP）的應用，群機能像單機一樣運轉。

群機能開發隱含在處理并行多用戶中或在處理包含在多個存儲設備的大型查詢

中的并行性。一個具有幾十個結點的PC群機系統，每天可執行10億多次事務處

理，比目前最大的大型機吞吐量還大?？茖W計算將在高度專用、類似CRAYe的

多向量結構的計算機上運行。

前面提到的網絡帶寬問題，到2046年，每光波長攜帶幾個GB的光纖將會很普

遍地進入到廣大家庭用戶中，那時帶寬將不再是問題。它們將為電話、可視電話、

電視、網絡訪問、安全監控、家庭能源管理以及其他各種設備服務。

雖然不能對未來的計算機預知得那么清晰、那么準確，但是，僅就上述的描述，

也就可以想像幾十年后，計算機給人類帶來的絢麗多彩的生活和人類社會的美好

憧憬決不是幻想。

思考題與習題

2.1通常，計算機的更新換代以什么為依據？

答：計算機的更新換代主要以組成計算機基本電路的元器件為依據，元器件主要

是向著小