姚浩斯拉

摘 要：作為一種高新科技技術(shù)，計算機的發(fā)展受到人們廣泛的關(guān)注與研究。隨著現(xiàn)代科學與技術(shù)的發(fā)展，科學理論與現(xiàn)代能源材料的豐富，計算機得到了很大的進步與發(fā)展，相繼研究出一些新型的計算機。在該文中，我簡要介紹了計算機的發(fā)展歷程，重點講述了一些新型計算機的發(fā)展與特點，如生物計算機、量子計算機、光子計算機和納米計算機等。最后，對未來計算機的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：發(fā)展歷程 生物計算機 量子計算機 光子計算機 納米計算機

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0041-02

計算機俗稱電腦，是一種用于高速數(shù)據(jù)與邏輯計算和具有存儲與修改功能的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。計算機一般是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計算機作為一種集計算、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等于一體的工具，受到人們的廣泛關(guān)注與研究。就目前來講，計算機發(fā)展進入到了全新的變革與廣泛的應用中。但人們往往對計算機的一些應用，如電子郵件、QQ聊天和網(wǎng)上購物過分關(guān)注，而忽略了現(xiàn)代計算機的發(fā)展歷程和最新進展等，根本不知所為何云。所以，在該文中我重點介紹了計算機的新發(fā)展和新趨勢，希望能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?/p>

1 計算機的發(fā)展歷程

1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學，?？颂?、莫克利等研發(fā)出了世界上第一臺電子計算機，雖然這臺計算機的大小有幾間房子那么大，且計算速度遠遠比不算現(xiàn)在普通一臺電腦的速度，但它開啟了一個嶄新的時代，帶領(lǐng)人類進入了一個全新的時代—— 信息革命時代。當然，計算機的發(fā)明是一群科研人員的共同努力，由于馮·諾依曼，在計算機的設(shè)計思想中起了關(guān)鍵作用，被稱為“現(xiàn)代計算機之父”。從此以后，計算機研究受到廣大科學家的研究，開啟計算機的世界和它帶領(lǐng)的全新世界。隨著計算機的發(fā)展，大約可以分為四代，分別如下。

1.1 電子計算機（1946-1957）

電子計算機與第一臺計算機一樣，主要器件是電子元件，因此稱為電子計算機。但由于電子管的體積較大且存儲容量小，導致計算機的體積相對較大、耗電量快、速度很慢、存儲量小、可靠性差等特點，大都用于科學計算與科學研究中。在這個階段，計算機還沒有系統(tǒng)軟件，通常使用機器語言或匯編語言。

1.2 晶體管計算機（1958-1964）

隨著量子力學和固體物理能帶論等理論的建立，為半導體器件的發(fā)展提供了理論和實踐基礎(chǔ)。20世紀50年代左右，巴丁和布拉頓成功研制了點接觸晶體管。隨后，肖克萊成功發(fā)明了結(jié)型晶體管，晶體管的研究逐漸走向成熟，也被應用到計算機中，使計算機的發(fā)展進入到第二個階段—— 晶體管計算機。

1959年，第一臺晶體管計算機在美國貝爾實驗室誕生。晶體管計算機采用了晶體管作為基本電子元件，用磁芯或磁鼓作為存儲器，因此在性能上比電子計算機有了很大提高。晶體管不僅具有尺寸小、質(zhì)量輕、效率高、發(fā)熱少、損耗低等優(yōu)點，還實現(xiàn)了電子管作為計算機基本元件的一般功能，所以二代計算機的體積大大減小，壽命也大大延長，為計算機的廣泛應用提供了基礎(chǔ)。此外，晶體管計算機還增加了浮點算法，使計算機的運算能力實現(xiàn)了一次飛躍，使計算機可以應用于數(shù)據(jù)處理與工業(yè)控制等方面。

1.3 中小規(guī)模集成電路計算機（1964-1971）

晶體管的出現(xiàn)為集成電路提供了可能，隨后人們開始利用晶體管和其他電學元件設(shè)計復雜而精巧的集成電路。1959年，羅伯特羅伊斯用平面工藝生產(chǎn)出了能夠運用到商業(yè)領(lǐng)域的復雜集成電路。隨后，計算機也開始使用中小規(guī)模集成電路作為計算機的主要元件，開啟了計算機的第三個時代—— 中小規(guī)模集成電路計算機時代。

相對于前兩代計算機，中小規(guī)模集成電路計算機仍然以存儲器為中心，但計算機的體積和功耗進一步減小，可靠性和運算速度也相應提高，外部設(shè)備和功能也不斷增加，除了原有的數(shù)據(jù)處理功能，還可用于企業(yè)管理、自動控制、輔助設(shè)計和輔助制造等領(lǐng)域。

1.4 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機

隨著制造工藝與工藝的不斷發(fā)展，集成電路也在飛速發(fā)展。又根據(jù)摩爾定律，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，計算機進入到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機時代。

從1970年以后采用大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）為主要電子器件制成的計算機，就是第四代計算機。第四代計算機的存儲量明顯提高，如可以在硬幣大小的芯片上容納幾十萬甚至幾百萬的電子元件。隨著第四代計算機的發(fā)展，也隨之出現(xiàn)了一個重要分支——大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微處理器和微型計算機。微型計算機也大致經(jīng)歷了四個階段：（1）1971年-1973年，微處理器有4004、4040、8008.（2）1973年-1977年，微型計算機的發(fā)展和改進階段。（3）1978年-1983年，十六位微型計算機發(fā)展階段。（4）1983-，32位微型計算機發(fā)展階段。

2 計算機的新發(fā)展與新趨勢

雖然大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機依然在不斷進步與創(chuàng)新，但隨著現(xiàn)代生物、物理、材料等的發(fā)展，一些新的計算機也在不斷研究中，如生物計算機、量子計算機、光子計算機、納米計算機等。這些計算機雖然研究與應用或許還不夠成熟，但也代表著現(xiàn)代計算機的最新發(fā)展與最新趨勢。

2.1 生物計算機

生物計算機（biological computer）又稱仿生計算機，是指用生物芯片替代在半導體上的大量晶體管而制造成的計算機。生物計算機大都采用生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子作為主要原料和生物芯片，因此稱為生物計算機。

由于脫氧核糖核苷酸（DNA）是一條帶有大量遺傳信息的雙螺旋結(jié)構(gòu)，它的資料存儲和運算能力十分巨大，很可能比硅片等強得多，例如據(jù)了解1毫克DNA的存儲功能大約相當于1萬片的光碟片。此外，DNA還具有同時處理兆個運算指令的能力。這些都為生物計算機的發(fā)展創(chuàng)造了條件，使其具有不同于集成電路計算機的優(yōu)點：（1）體積小。可同時容納1萬億個此類計算機與一支試管中。（2）可靠性好。因為人體蛋白質(zhì)在一定范圍內(nèi)具有自我修復功能，使生物計算機的內(nèi)部芯片損害時也可以自我修復，因此生物計算機具有很強的可靠性。（3）存儲量大。據(jù)悉1立方米的生物大分子溶液大約克存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。（4）運算快。這是DNA具有同時處理兆個指令所決定的。（5）并行性好。相對于一般計算機的順序指令運算方式，生物計算機由于生物大分子在合成DNA與蛋白質(zhì)時的同步合成使其具有并行功能。

作為新近發(fā)展的計算機，生物計算機以其獨特的性能成為21世界人類期待的工程之一。目前生物計算機的研究方向大致為：（1）制造有機分子元件去代替半導體元件，從而研制出分子計算機；（2）通過深入研究人腦的結(jié)構(gòu)與思維規(guī)律而構(gòu)想生物計算機的結(jié)構(gòu)，依此研制生物計算機。

2.2 量子計算機

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律和基于量子效應和量子比特而進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的計算機裝置。當這個裝置處理和計算時利用的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。

不同于一般計算機的只能在二進制的系統(tǒng)上進行，量子計算機由于滿足態(tài)疊加原理，使其內(nèi)每個物體都可以使用所有不可思議狀態(tài)的綜合來描述，所以量子計算機不僅可以利用0和1存儲還可以用粒子的量子疊加態(tài)存儲大量信息。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，一個40位元的量子計算機就能解開1024位元的集成電路計算機花上數(shù)十年解決的問題。量子計算機的性能與運算速度的優(yōu)異性和獨特性可見一斑。

迄今為止，世界上還沒有出現(xiàn)真正意義上的量子計算機，但世界各地的許多人員都在堅持不懈的研究著量子計算機，提出了量子計算機的各種構(gòu)想與方案，如液態(tài)核磁共振量子計算機、（固態(tài)）硅晶體核磁共振量子計算機、離子陷阱、量子光學、腔室量子電動力學、超導體方案等等。也許這些方案或多或少的都有些不足與瓶頸，但我相信隨著人類的不懈研究與現(xiàn)代科學技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，量子計算機最終將成功研制，并走向我們的日常生活。

2.3 光子計算機

隨著現(xiàn)代光學與光學工程的發(fā)展，人們漸漸開始用光子代替電子，光運算代替電運算，激光器、光學反射折射鏡、濾波器等光學元件與設(shè)備代替相應的電子元件與設(shè)備，研究光子計算機。所謂光子計算機，就是利用光信號進行數(shù)字運算、邏輯操作、信息儲存與處理等的新型計算機。相較于一般計算機，光子計算機具有如下優(yōu)點：（1）強可靠性。光子不像電子那樣帶有電荷，因而不存在電磁相互作用，在自由空間中千萬條光束可以同時穿過一個光學元件而不相互作用與影響，所以光子計算機的可靠性很強。（2）高運算速度。由于光子的并行性使其并行處理能力強，且光子的傳播速度達到3 ×108，導致光子計算機的運算速度更高，甚至可達1000億次。（3）高存儲量。光子互聯(lián)不受電磁干擾，互聯(lián)的密度很高，幾乎可達到每平方毫米面積上的光子線路連接量達5萬條。

2.4 納米計算機

所謂納米科學與技術(shù)就是在物體的三維結(jié)構(gòu)中有至少一維的尺度為1納米至100納米。根據(jù)摩爾定律，現(xiàn)代的計算機的硅芯片已經(jīng)達到了物理極限，如果繼續(xù)減小其尺寸，將導致嚴重的電流損耗。隨著超高分辨率顯微鏡的發(fā)明和納米技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將納米材料引入計算機，如研究了薄膜晶體管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的晶體管，研究了納米計算機。

因為納米材料獨特的性質(zhì)，如納米材料的體積效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等，納米計算機解決了普通計算機的上述缺點。同時，利用納米材料制造芯片只是將實驗室設(shè)計好的分子合成在一起即可生產(chǎn)處芯片，極大地降低了生產(chǎn)成本?？梢姡{米計算機有著廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展與進步，計算機逐漸滲入到人們的日常生活，成為人們生活工作必不可少的一個工具?，F(xiàn)代計算機將繼續(xù)朝著巨型化、微小化、智能化和多功能化方向發(fā)展，使其更加便利人們的生活。生物計算機、量子計算機、光子計算機和納米計算機等新型計算機作為21世紀計算機的發(fā)展方向與趨勢也將繼續(xù)受到人們的廣泛研究，使其不斷發(fā)展與成熟，最終走入尋常百姓家。相信，計算機的發(fā)展將更加美好，人們的生活也因此更加美妙。

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