周小鵬 長沙市實(shí)驗(yàn)中學(xué)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及未來趨勢

周小鵬 長沙市實(shí)驗(yàn)中學(xué)

基于集成電路的計(jì)算機(jī)短期內(nèi)還不會(huì)退出歷史舞臺，新的計(jì)算機(jī)正在躍躍欲試地加緊研究。目前推出的一種新的超級計(jì)算機(jī)采用世界上速度最快的微處理器之一，并通過一種創(chuàng)新的水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，科學(xué)家已經(jīng)制造出世界上最小的計(jì)算機(jī)邏輯電路，也就是一個(gè)由單分子碳組成的雙晶體管元件。這一成果將使未來的電腦芯片變得更小、傳輸速度更快、耗電量更少。本論文從技術(shù)機(jī)的發(fā)展歷史、發(fā)展過程的瓶頸、以及未來發(fā)展的趨勢。

計(jì)算機(jī)技術(shù) 發(fā)展歷程 計(jì)算機(jī)瓶頸

計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，對人類的生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生了極其重要的影響，并以強(qiáng)大的生命力飛速發(fā)展。它的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事科研應(yīng)用擴(kuò)展到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，已形成了規(guī)模巨大的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)了全球范圍的技術(shù)進(jìn)步，由此引發(fā)了深刻的社會(huì)變革，計(jì)算機(jī)已遍及一般學(xué)校、企事業(yè)單位，進(jìn)入尋常百姓家，成為信息社會(huì)中必不可少的工具。

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程

電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代(1943—1957年)

20世紀(jì)40年代是電子計(jì)算機(jī)的誕生期。1943年英國推出了一款可編程的計(jì)算機(jī)，主要用于破譯德國的密碼，該裝置包括了2400個(gè)真空電子管，每秒能解譯5000個(gè)字符。

晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代(1958—1964年)

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉.肖克利、約翰.巴丁和沃爾特?布拉頓發(fā)明了晶體管，開辟了電子時(shí)代新紀(jì)元。

集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代(1964--1972年)

1958年美國得克薩斯州的工程師杰克.基爾比發(fā)明了集成電路(IC)，多種電子元件被集成到單一的半導(dǎo)體芯片上。

大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代(1972一至今)

1971年11月15 日，霍夫在INTEL公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004，含2300個(gè)晶體管，這是一個(gè)4位系統(tǒng)，時(shí)鐘頻率108kHz，每秒執(zhí)行6萬條指令。

這標(biāo)志著大規(guī)模集成電路(LSI)時(shí)代的開始。

從技術(shù)機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程不難看出，電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代的跨度在14年，晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代的跨度為6年，集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代的跨度6年，而大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代已經(jīng)經(jīng)歷了45年，大規(guī)模集成電路的發(fā)展推動(dòng)半導(dǎo)體芯片的集成度更高，每塊芯片可容納數(shù)萬乃至數(shù)百萬個(gè)晶體管，并且可以把運(yùn)算器和控制器都集中在一個(gè)芯片上、從而出現(xiàn)了微處理器，并且可以用微處理器和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路組裝成微型計(jì)算機(jī)，這才能讓計(jì)算機(jī)普及到我們生活。當(dāng)代計(jì)算機(jī)的革新所面臨的問題，所遇到的瓶頸，也是需要研究和深思。

2 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展瓶頸

（1）CPU運(yùn)行速速與載體之間的傳輸媒介之間的瓶頸。

CPU和主板之間傳輸材質(zhì),新型材料的引入、主板之間的合理的布局，元器件的優(yōu)化等方式解決。

（2）隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM存儲(chǔ)速度和CPU運(yùn)行速度的瓶頸。

雖然半導(dǎo)體設(shè)計(jì)制造工藝越來越先進(jìn)，單個(gè)芯片內(nèi)部能集成的存貯單元越來越多，但是RAM的絕對存取速度并沒有明顯地提高。目前大部分計(jì)算機(jī)通過采用靜態(tài)RAM代替動(dòng)態(tài)RAM以提高速度。相比動(dòng)態(tài)RAM而言靜態(tài)RAM的集成度低,對于同樣的存儲(chǔ)容量占用的空間大,但它不像動(dòng)態(tài)RAM芯片需定時(shí)刷新。

（3）高速超導(dǎo)、激光、分子、量子的引入將革新計(jì)算速度和存儲(chǔ)方式。

（4）采用多CPU以提高整機(jī)的運(yùn)行速度。

多CPU系統(tǒng)某一時(shí)刻雖然都在運(yùn)行,但它們完成的是各自獨(dú)立的操作。而并行機(jī)中的各CPU交互并行地協(xié)同工作,即在同一時(shí)刻應(yīng)完成相同的操作，多處理器計(jì)算機(jī)雖然使整機(jī)運(yùn)行速度大為提高,但與并行機(jī)不屬于同一概念。

（5）生物計(jì)算機(jī)主要是以生物電子元件構(gòu)建的計(jì)算機(jī)。它利用蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子作元件從而制成的生物芯片。生物電子原件的引入將使運(yùn)算速度大大超過人腦的思維速度。

(6)液冷、存儲(chǔ)制冷、高效能電源、高效能散熱也是提升CPU運(yùn)行速度的因素。

(7)外部負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)施部分節(jié)點(diǎn)或部件的休眠；根據(jù)各進(jìn)程能耗的不同對CPU任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)整，如將一些產(chǎn)生較多熱量的任務(wù)從溫度較高的CPU上遷移到溫度較低的CPU上從而實(shí)現(xiàn)能耗的均衡。

3 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展未來趨勢

（1）巨型化。為滿足國防、氣象、地質(zhì)等領(lǐng)域的尖端需要，計(jì)算機(jī)的性能將會(huì)逐步提高，不斷出現(xiàn)速度更快、精度更高、容量更大的巨型計(jì)算機(jī)。

（2）微型化。隨著集成電路技術(shù)及存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)元器件的體積可以變得越來越小，目前已出現(xiàn)了具有文件存儲(chǔ)和聯(lián)網(wǎng)功能的“掌上電腦”。

（3）網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化可以滿足人們信息共享的需要，使地球真正變成一個(gè)村落。目前，32位的網(wǎng)絡(luò)地址資源很快即將耗盡，人們正在開發(fā)128位地址的“下一代互聯(lián)網(wǎng)”。在不久的將來，不僅可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)網(wǎng)，還會(huì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與家庭轎車、家用冰箱、電視、樓宇門窗等生活設(shè)施的聯(lián)網(wǎng)。

（4）智能化。盡管智能化技術(shù)目前還不成熟，但這是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。一些發(fā)達(dá)國家正在開發(fā)研制以智能化為特征的第五代計(jì)算機(jī)，隨著人腦秘密的破解，第五代計(jì)算機(jī)將會(huì)發(fā)生一個(gè)質(zhì)的飛躍。

（5）多媒體技術(shù)。多媒體技術(shù)目前已經(jīng)有了較廣泛的應(yīng)用，但仍是一個(gè)研究熱點(diǎn)。未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展將會(huì)更便捷地處理各類媒體信息，以滿足人們信息共享的需要。

（6）并行處理計(jì)算機(jī)。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的“程序存儲(chǔ)和控制”是一種串行機(jī)制，已成為進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)性能的制約因素，采用并行處理結(jié)構(gòu)可大大提高計(jì)算機(jī)性能?！癉NA計(jì)算機(jī)”“光子計(jì)算機(jī)”和“神經(jīng)元計(jì)算機(jī)”都屬于研制中的并行處理計(jì)算機(jī)。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)政治制度的不斷發(fā)展，相應(yīng)推動(dòng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)給社會(huì)帶來了巨大的變革，給人們的生活、工作、學(xué)習(xí)帶來了極大的便利。雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是它仍具有很大的發(fā)展空間。

[1]楊劍編.數(shù)字邊疆的權(quán)力與財(cái)富[M].上海：上海人民出版社，2012：16.

[2]魏權(quán)利.微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與瓶頸[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000：2.

[3]崔發(fā)周.計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教程[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社 ,2008：2.

周小鵬，姓別：男，民族：漢族，籍貫：湖南省株洲市，單位：長沙市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，職稱：學(xué)生，學(xué)歷：高中，研究方向：專業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)方面。