1、0,计算机发展史与未来计算机,前言,电子数字计算机是20世纪人类最伟大发明之一。短短的几十年，这台机器以迅猛磅礴之势，用非凡的渗透力和亲和力，彻底改变了我们这个星球的模样，融进每个人的工作、学习和生活之中，已在世界范围内形成了一种新的文化，构造了一种崭新的文明。,思考问题1,计算机由那几部份组成？为什么？,大约在新石器时代早期，先民使用的“计算机”是结绳，即用绳子打结的多少来表示数的概念。英语里“Calculus”（计算）一词来源于拉丁语，既有“算法”的含义，也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。,计算机的历史可以追溯到我们祖先用石头或手指帮助计数的远古时代。人类最早的 “计算机” 是手指， “D
2、igit” 既表示“手指”又表示“整数数字”。,计算机发展史-计算的手工时代,珠算盘是中国古代在计算工具领域的另一项发明，直到今天，它仍然是许多人钟爱的“计算机”。,“运筹策于帷幄之中，决胜于千里之外。”,人类最早有实物作证的计算工具诞生在中国。祖冲之借助算筹， 成功地将圆周率值计算到小数点后的第7位。,17世纪初，英国数学家纳皮尔提出了对数的概念，并制作了“纳皮尔算筹”，它只需要做简单的加法就能计算出乘积，从而大大简化了数值计算过程。,计算机发展史-计算的手工时代,计算机发展史-计算的手工时代,英国牧师奥却德创造了原始的对数计算尺，奥却德发明的对数计算尺不仅能做加、减、乘、除、乘方、开方运算
3、，甚至可以计算三角函数、指数函数和对数函数，它一直使用到袖珍电子计算器面世为止。,17世纪最值得称颂的计算机发明当然属于法国科学家布莱斯帕斯卡，帕斯卡为了帮助父亲计算税款制造了加法器，它第一次确立了计算机器的概念。,计算机发展史-计算的机械时代,布莱斯帕斯卡法国数学家、物理学家、思想家,保存在巴黎国立工艺博物馆的帕斯卡加法机，1642年发明：,计算机发展史-计算的机械时代,德国伟大的数学家、因独立发明微积分而与牛顿齐名莱布尼茨，受加法器的启发，在1674年造出一台更完善的机械计算机“乘法器”。莱布尼茨对计算机的贡献不仅在于乘法器，公元1700年左右，莱布尼茨中国“易图”（八卦）里受到启发，最终
4、悟出了二进制数之真谛。,戈特费里德莱布尼兹德国数学家、微积分独立发明人,1674年，莱布尼茨发明乘法机,无论是契克卡德、帕斯卡，还是莱布尼茨，他们发明的机器都缺乏程序控制的功能。工业社会首次大规模应用程序控制的机器不是计算机，而是纺织行业中的提花编织机，然而，它对计算机程序设计的思想产生过巨大的影响力。,计算机发展史-计算的机械时代,布乔的穿孔卡片思想在杰卡德的自动编织机上实现程序控制思想的萌芽,18世纪末，法国数学界调集大批数学家，组成了人工手算的流水线，经过长期艰苦奋斗，终于完成了17卷数学用表的编制，但是，手工计算出的数据出现了大量错误。这件事情强烈刺激了巴贝奇制作了差分机 。,计算机发
5、展史-计算的机械时代,现代计算机奠基人 英国剑桥大学教授查尔斯巴贝奇,1822年，差分机 伦敦科学博物馆的复制品,不幸的是，分析机的硬件问题一直没有解决，原因是19世纪的技术条件无法制造出分析机所需要的成千上万个高精度的齿轮。,计算机发展史-计算的机械时代,后人根据巴贝奇图纸制造的“分析机”,世界上第一位程序员 奥古斯塔艾达拜伦,计算机发展史-从机械到电子的进程,美国著名统计专家 赫尔曼霍列瑞斯,霍列瑞斯发明的自动制表机,1890年，美国人口普查部门希望能得到一台机器帮助提高普查效率。Hollerith借鉴Babbage 的发明，用穿孔卡片存储数据，设计了Tabulating Machine，
6、仅用6 周就得出了准确的人口统计数据(人工方法要花10 年以上 时间),计算机发展史-从机械到电子的进程,电子文明的曙光电子二极管、三极管,1904年，英国青年工程师约翰弗莱明发明真空二极管,1906年，美国人李德福雷斯特 发明能起放大作用的真空三极管。,计算机发展史-电子数字计算机的诞生,电子管诞生为通讯、广播、电视等技术的发展铺平了道路。可是，真空三极管不仅具有放大功能，还可充当开关器件，其速度要比继电器快成千上万倍。计算机的历史也由此跨进电子的纪元。,1946年，举世公认的第一台电子数字计算机ENIAC， 诞生在战火纷飞的二次世界大战，它的“出生地”是美国马里兰州阿贝丁陆军试炮场。二次世
7、界大战关键时期，战争需要像一只有力的巨手，给电脑的诞生铺平了道路。,计算机发展史-电子数字计算机的诞生,1946年2月14日，世界上第一台电子计算机研制成功。 这台机器的名字叫“ENIAC”（埃尼阿克），即“电子数值 积分和计算机” 的英文缩写。在ENIAC内部，总共安装了17468只电子管，7200个二极管，70000多电阻器，10000多 只电容器和6000只继电器，电路的焊接点多达50万个；机器被安装在一排2.75米高的金属柜里，占地面积为170平方米左右，总重量达 到30吨。它的耗电量超过174千瓦；电子管平均每隔7分钟就 要被烧坏一只。ENIAC的运算速度达到每秒钟5000次加法，可
8、以在3/1000秒时间内做完两个10位数乘法， 其运算速度超出Mark 至少1000倍。一条炮弹的轨迹，20秒钟就能被它算完。ENIAC标志着电子计算机的创世，人类社会从此大步迈进了电脑时代的门槛。,计算机发展史-晶体管计算机,1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路中进行用半导体晶体把声音信号放大的实验时，发明了科技史上具有划时代意义的成果晶体管。,晶体管的三位发明人 因这项伟大发明，三人获得1956年诺贝尔物理学奖,威廉肖克利,约翰巴丁,沃尔特布拉坦,计算机发展史-晶体管计算机,晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业由于晶
9、体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。,晶体管与电子管的比较：体积比电子管小很多耗电大大降低稳定性有很大提高,计算机发展史-晶体管计算机,1960年IBM全面推出晶体管化的7000系列电脑。 以晶体管为主要器件的IBM7090型电脑，换下了诞生不过一年的IBM709电子管计算机，从1960年到1964年一直统治着科学计算的领域，并作为第二代电子计算机的典型代表，被永远载入电脑的史册里。,计算机发展史-集成电路计算机,基尔比那年35岁，在不超过4平方毫米的面积上，大约集成了20余个元件。1959年2月6日， 基尔比
10、向美国专利局申报专利，这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此被命名为“集成电路”（IC）。仙童半导体公司当即召集会议商议对策。诺依斯提出：可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产，仙童公司开始奋起疾追。1959年7月30日，他们采用先进的平面处理技术研制出集成电路，也申请到一项发明专利。,1964年，仙童公司“八叛逆”之一的摩尔（G. Moore）博士，以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的理论。摩尔天才地预言说道，集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头。摩尔的这个预言，因集成电路芯片后来的发展曲线得以证实，并在较长时期保持着
11、有效性，被人誉为“摩尔定律”。,电子管、晶体管与集成电路的比较：,计算机发展史-集成电路计算机,1964年4月7日，IBM公司宣布了一项最新成就：IBM公司投资50亿美圆研制出的通用计算机-IBM360系统。IBM360系统是首次使用集成电路作为元件构造的通用计算机。系统用360为名， 表示一圈360度，既代表着360系统从工商业到科学界的全方位应用，也表示IBM的宗旨：为用户全方位服务。,计算机发展史-集成电路计算机,集成电路的发明，为研制高速运行的超级电脑创造了条件。1960年，刚成立三年的控制数据公司（英文缩写CDC） ，接受美国原子能委员会的委托，涉足万难之险的巨型机领域。先后“克雷1
12、号”（CRAY-1），“克雷2号”（Cray-2）和“克雷3号”（Gray-3）巨型机相继问世， 并行结构使运算速度分别达到每秒12亿次和每秒160亿次,计算机发展史-巨型机,1971年，Intel公司宣称，他们首创了一种“开启集成电路新纪元”的半导体芯片，即第一块微处理器芯片4004。所谓微处理器芯片是将CPU（Central Processing Unit，中央处理器）集成在一块芯片上。,第一块微处理器芯片Intel 4004及其发明人特德霍夫,计算机发展史-微处理器,1971年，英特尔公司宣称，他们首创了一种“开启集成电路新纪元”的半导体芯片，根据该公第一块微处理器芯片已属大规模集成电路
13、范畴。 英特尔公司命名它为4004。,计算机发展史-微处理器,第一个4表示它可以一次处理4位数据， 第二个4代表它是这类芯片的第4种型号。这种数字代号沿用至今，就是现代所谓“386”、“486”等计算机俗称的最早源头。,1972年4月， 霍夫小组研制出另一型号的微处理器8008。在做了少许改进后，1975年又推出有史以来最成功的8位微处理器8080。 8080集成了约4800个晶体管，每秒执行29万条指令。8080型微处理器正式投放市场是在1974年，这种芯片及其仿制品后来共卖掉数以百万计，引发了汹涌澎湃的微电脑热潮。,计算机发展史-微处理器,1981年无疑是个分界线。这一年，IBM公司推出了
14、它的个人电脑，人类社会从此跨进个人电脑新纪元 1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBM PC个人电脑出世，个人电脑以前所未有的广度和速度面向大众普及。 IBM PC主机板上配置着64KB存储器，另有5个插槽供增加内存或连接其他外部设备。它还装备着显示器、键盘和两个软磁盘驱动器。它把过去一个大型电脑机房的全套装置统统搬到个人的书桌上。,计算机发展史-个人计算机,多媒体技术是电脑能够交互式处理文字、声音、图像、动画、视频等多种媒体信息。为了实现这些目标，多媒体电脑配置的海量存储器激光光盘、声音卡、3D图形卡等硬件设备，走过了一段瓜熟蒂落的过程。,计算机发展史-多媒体计算机,计算机发展史-计算机
15、网络和Internet,计算机网络就是通过电缆、电话线、或无线通讯互连的计算机的集合。按计算机连网的区域大小，可以把网络分为局域网（LAN，Local Area Network）和广域网（WAN，Wide Area Network）。如在一个房间、一座大楼，或是在一个小范围内的网络就称为局域网，而跨省市、跨国家的网络则是广域网，Internet就是最大最典型的广域网。,数字计算机首先来源于理论突破，是逻辑代数为开关电路设计奠定了的数学基础。逻辑代数又称布尔代数，正是以它的创立者英国数学家布尔（G.Boole）而命名。,计算机发展史-人物,碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件，并用二进制替
16、代十进制运算使用“存储程序”，以便电脑自动依次执行指令。人们后来把这种“存储程序”体系结构的 机器统称为“诺依曼机”。,计算机发展史-人物,阿兰图林1912年6月23日出生于英国伦敦一个书香门第的家庭。8岁时，他开始尝试写作了一部科学著作， 题名关于一种显微镜。1931年，他考入剑桥皇家学院。,1936年， 图林发表了一篇划时代的论 文论可计算数及其在判定问题中的应用 ，后被人改称理想计算机。论文里论述了一种“图林机”，只要为它编好程序， 它就可以承担其他机器能作的任何工作。当世界上还没人提出通用计算机的概念前，图林已经在理论上证明了它存在的可能性。,计算机发展史-人物,冯诺依曼曾多次向别人
17、强调： “如果不考虑巴贝奇、 阿达和其他人早先提出的有 关思想，计算机基本概念只 能属于阿兰图林。”1950年10月， 图林的另 一篇论文机器能思考吗 发表，首次提出检验机器智能的“图林试验” ， 从而奠定了人工智能的基础，使他再次荣膺“人工智能之父”称号。1954年， 42岁的阿兰图林英年早逝。为了纪念他在计算机领域奠基性的贡献，美国计算机学会决定设立“图林奖”，从1956年开始颁发给最优秀的电脑科学家，它就像科学界的诺贝尔奖那样，是电脑领域的最高荣誉。,计算机发展史-人物,西蒙克雷1925年9月出生 在美国威斯康星州的工程师世 家。在参加陆军做了几年电工 后， 克雷到威斯康星大学和明 尼苏
18、达大学继续深造。1950年 获电气工程学士，又用了一年 攻下了硕士学位。克雷先后在 工程研究学会和雷明顿兰德公 司从事开创性的计算机研究 。 在那里，他设计出他的第一台计算机ERA1101。1957年，克雷跟随威廉诺瑞斯创立CDC公司；1972年自行创办克雷研究公司，从此开始了他漫长的“巨型机”研究生涯。克雷的名字很长时期一直与巨型机相联系， 巨型机基本上按照他创造的模式建立。 财富杂志曾引用他的话说：“无庸质疑，在这一领域需要天才，天才是杰出的象征。 ”克雷不仅是真正的天才，他还是举世公认的“巨型机之父”。,计算机发展史-人物,埃斯特奇1937年出生于 美国佛罗里达州杰克逊维尔，佛罗里达大学
19、工程学士，加入IBM后参与了几种防 空计算机系统设计。70年 代末在IBM公司担任中级 技术经理，负责软件开发 业务。1980年，他领导着 博卡雷顿实验室“十三人小组”，顶着IBM官僚体系的重重压力，以“开放”的思想努力创新，一年之内开发出影响电脑发展前途的IBM PC个人电脑， 并推出IBM PC/XT和IBM PC/AT等后续产品，使其成为个人电脑事实上的行业标准。在IBM公司内部，埃斯特奇被尊称为“PC机之父”，成为该公司最富个人魅力的传奇英雄。,计算机发展史-人物,比尔盖茨1955年10月28日 出生在西雅图，13岁就开始编 写计算机程序。1973年进入哈 佛大学法律系，19岁退学，与
20、 同伴创办电脑公司。后改名微 软公司，自任董事长、总裁兼 首席执行官。 1988年1月，将总裁一职让给史蒂夫-鲍尔默。比尔盖茨被誉为电脑奇才、20世纪最伟大的计算机软件行业巨人。36岁成为世界最年轻的亿万富翁。1999年福布斯评选，盖茨居世界亿万富翁首位，纯资产850亿美元,被时代周刊评为在数字技术领域影响重大的50人之一。,计算机发展史-人物,IBM PC诞生不仅掀起了个人电脑的大普及，而且导致了软件工业的勃兴。其中，受益最大的是微软公司。 MS-DOS伴随IBM PC电脑出征，由于所有PC个人电脑（包括其他厂商生产的兼容机）都需要安装MS-DOS，其用户后来竟超过3000万，历史上从来没有
21、哪个软件能够达到如此庞大的用户数。微软公司依托MS-DOS迅速崛起。80年代，微软陆续推出Windows操作系统。,计算机发展史-人物,问题2,未来计算机是什么样的？,超导计算机,超导计算机是 使用超导体元器件 的高速计算机。所 谓超导，是指有些 物质在接近绝对零 度（相当于-269摄氏度）时，电流流动是无 阻力的。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提 出了超导隧道效应原理，即由超导体一绝缘 体一超导体组成器件，当两端加电压时，电 子便会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质 中穿过去，形成微小电流，而这一器件的两 端是无电压的。约琴夫逊因此获得诺贝尔奖。,纳米计算机,科学家发现，当晶体管的尺寸缩小到
22、0.1微米(100纳米)以下时，半导体晶体管赖以工作的基本原理将受到很大限制。研究人员需另辟蹊径，才能突破0.1微米界，实现纳米级器件。现代商品化大规模集成电路上元器件的尺寸约在0.35微米(即350纳米)，而纳米计算机的基本元器件尺寸只有几到几十纳米。目前，在以不同原理实现纳米级计算方面，科学家提出四种工作机制：电子式纳米计算技术，基于生物化学物质与DNA的纳米计算机，机械式纳米计算机，量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。像硅微电子计算技术一样，电子式纳米计算技术仍然利用电子运动对信息进行处理。不同的是：前者利用固体材料的整体特性，根据大量电子参与工作时所呈现的统计平
23、均规律；后者利用的是在一个很小的空间(纳米尺度)内，有限电子运动所表现出来的量子效应。,光计算机,与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行运算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。 研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提出。1986年，贝尔实验室的戴维米勒研制出小型光开关，为同实验室的艾伦黄研制光处理器提供了必要的元件。1990年1月，黄的实验室开始用光计算机工作。从采用的元器件看，光计算机有全光学型和光电混合型。1990年贝尔实验室研制成功的那台机器就采用了混合型结构。相比之下，全光学型计算机可以达到更高的运算
24、速度。然而，要想研制出光计算机，需要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，若用它们造成台式计算机将有一辆汽车那么大。因此，要想短期内使光计算机实用化还很困难。,DNA计算机,1994年11月，美国南加州大学的阿德勒曼博士提出一个奇思妙想，即以DNA碱基对序列作为信息编码的载体，利用现代分子生物技术，在试管内控制酶的作用下，使DNA碱基对序列发生反应，以此实现数据运算。在过去的半个世纪里，计算机的意义几乎完全等同于物理芯片。然而，阿德勒曼提出的DNA计算机拓宽了人们对计算现象的理解，从此，计算不再只是简单的物理性质的加减操作，而又增添了化学性质的切
25、割、复制、粘贴、插入和删除等种种方式。DNA计算机的最大优点在于其惊人的存贮容量和运算速度：1立方厘米的DNA存储的信息比1万亿张光盘存储的还多；十几个小时的DNA计算，就相当于所有电脑问世以来的总运算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有电子计算机的一百亿分之一。,量子计算机,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，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。对此，有人曾经作过这样一个比喻：假设一只老
26、鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过。量子计算机与传统计算机在外形上有较大差异：它没有传统计算机的盒式外壳，看起来像是一个被其他物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长期存储但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景，这使得众多国家和科技实体乐此不疲。尽管目前量子计算机的研究仍处于实验室阶段，但不可否认，终有一天它会取代传统计算机进入寻常百姓家。,利用蛋白质的开关特性开发出生物计算机,生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。由于半导体硅芯片电路密集引起的散热问题难以解决，科学家便投入了生物计算机的研究
27、与开发。生物电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的计算机称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。已经研制出利用蛋白质团来制造的开关装置有：合成蛋白芯片，遗传生成芯片，红血素芯片等。,问题3,终结者系列电影对机器人与人类的关系，作出了这样的反思：当机器人受到人类控制时，它们是不可代替的国家卫士；一旦它们拥有了反抗的自我意识，人类的灾难也会随之而来。,问题：终结者机器人会在未来战场中出现吗？,微软Robotics Studio,Similarity to early PC industry!,Infrastructure for smart space,基于网络的 机器人平台,基于网络的 仿人机器人,嵌入式、模块化、标准化技术,1. 软机器人 2. 网络实时通讯 3. 基于网络服务器的服务,1、像人一样的自主定位 2、基于的网络智能,1. 各种服务机器人 2. 信息咨询服务软机器人,1. 环境理解、自主导航 2. 高速高精度图像识别 3. 自然语言识别 4. 智能机器人传感器,研究内容,46,
