授课题目：

计算历史、现状、发展趋势与前沿技术概述

教学目标：

1.  了解计算机发展史上图灵、冯.诺依曼等人的关键工作；

2.  了解各种类型的计算机；

3.  了解计算机的更新换代与关键元器件技术的发展；

4.  了解计算机科学技术的发展趋势；

5.  了解不同领域最新技术及研究进展。

教学重点：

    计算机的发展历程及重要历史人物。

教学难点：

无

教学方式与教学安排：

研讨课   2学时

  作业及课外学习要求：

通过互联网阅读计算机发展相关的文章、报告；阅读新技术的介绍性文章，了解各个领域的最新技术

可参考在线图书：

其余网络资源繁多，可自行搜索学习。

主要内容：

（1）          计算机的发展历程

（2）          计算机技术的发展现状与趋势

（3）          前沿技术

（4）          计算机工程与社会、可持续发展

1.1.计算机的发展历史

  计算机的发明是以计算为基本原则，早先则是被定位为工业用产品。早在19世纪初叶，英国剑桥大学数学家、机械设计专家、经济学家和哲学家查尔斯•巴贝基（Charles Babbage，1791-1871，见图1-1）发明了差分机（Difference Engine，见图1-2）即可计算等式间的差距。而之后的分析机（Analytical  Engine，见图1-3）则尝试用来执行多种类的运算，尽管这台机器在他有生之年并未完成，但其概念其实已经具备了现代电脑的特征，所以称巴贝基为计算机之父。

                查尔斯•巴贝基（1791-1871）   

阿达•拉芙拉斯伯爵夫人（1815-1852）

           巴贝基的差分机                            

   巴贝基设计的分析机

  英国著名诗人拜伦的女儿阿达•拉芙拉斯伯爵夫人（Ada Augusta Lovelace，1815-1852）协助巴贝基完善了分析机的设计，指出它可以像提花机那样编程。她发现了编程的基本要素，还编写了伯努利数的程序，因此，被誉为世界上第一位程序员。

巴贝基生于1791年的英国，当他在剑桥大学攻读博士时，即为了解决计算等式间的差异数，于1812年首先设计出了一台名为差分机（Difference Engine）的机器，并于1822年制成了差分机样机。这是一台利用蒸汽为动力，以齿轮为基础所构成的机器，由于齿轮的数量过于庞大（约四千），以至于差分机所计算的成果并不精确。经历十年失败的尝试，1834年巴贝基在研制差分机的工作中，看到了制造一种新的、在性能上大大超过差分机的计算机的可能性，从而放弃了差分机转而构想出了名为分析机的自动运算机器，由于这台机器具备有“输入”、“运算”、“输出”及“储存”的四大现代计算机特征，最后因英国政府停止资助使这项计划，直到巴贝基逝世，亦未能最终实现他所设计的计算机。

    美国哈佛大学的霍华德•艾肯（Howard Aiken，1900-1973）博士在图书馆里发现了巴贝基的论文，提出了用机电方式，而不是用纯机械方法来构造新的分析机。霍华德·艾肯在IBM公司的资助下，于1944年研制成功了被称为计算机“史前史”里最后一台著名的MarkⅠ计算机，将巴贝基的梦想变为了现实。这也正是IBM走上计算机产业之路的开始。后来霍华德·艾肯继续主持了MarkⅡ和MarkⅢ计算机的研制工作，但它们已经属于电子计算机的范畴。这里请注意,20世纪40年代曾经出现过两个被称为MarkⅠ的计算机，一个是这里所说的MarkⅠ，另一个是英国曼彻斯特大学以威廉斯管的发明人Williams（1911-1977）和汤姆·基尔蓬（Tom Kilbrn）为首的研究小组开发的MarkⅠ，其原型则被称为“婴儿机”（Baby Machine）。曼彻斯特大学在计算机发展史上也曾经起过重大的作用。

    霍华德•艾肯（1900-1973）    

 MarkⅠ计算机（机电，而非电子计算机）

图灵机

 英国数学家艾兰•图灵（Alan Mathison Turing，1912-1954）是世界上公认的计算机科学奠基人，见图1-4。他的主要贡献有两个：一是建立图灵机（TuhngMaChine，TM）模型，奠定了可计算理论的基础；二是提出图灵测试，阐述了机器智能的概念。但在他生活的时代，却完全没有这些赞誉。他不过是一位古怪的数学家、超前的哲学家、神秘的密码破译专家而已，没有人会想到他的思维能燃起信息时代的烈焰。为纪念图灵对计算机科学的贡献，美国计算机学会ACM在1966年创立了“图灵奖”，每年颁发给在计算机科学领域的领先研究人员，号称计算机业界和学术界的诺贝尔奖。

    艾兰•图灵（1912-1954）  

    图灵机原型

图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：

一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。

另一个也被称为计算机之父的是美籍匈牙利数学家冯•诺依曼（Von Neumann），他和他的同事们研制了世界上第二台电子计算机EDVAC，对后来的计算机在体系结构和工作原理上具有重大影响。在EDVAC中采用了“存储程序”的概念，以此概念为基础的各类计算机统称为冯•诺依曼机。50多年来，虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等方面与当时的计算机有很大差别，但基本结构没有变，都属于冯•诺依曼计算机。但是，冯•诺依曼自己也承认，他的关于计算机“存储程序”的想法都来自图灵。

         冯·诺依曼与IAS计算机

IAS计算机：(1952年，基于冯·诺依曼提出的《离散变量自动电子计算机》（EDVAC，Electronic Discrete Variable Computer）结构的，普林斯顿高级研究院（Institute of Advanced Study，IAS）制作的计算机)

冯•诺依曼计算机存储程序工作原理

   冯•诺依曼计算机结构图

计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。

计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。

计算机的诞生

1939年保加利亚裔美国人、依阿华大学教授阿塔诺索夫（John Vincent Atanasoff，1903-1995）因进行数学物理研究需要大量计算，而当时使用的模拟计算机速度慢、精度低，从而决心设计电子管数字计算机。在研究生克里福特·伯瑞（Clifford E.Berry，1918-1963）的协助下，于1941年制作了一台雏形计算机ABC（Atanasoff-BerryComputer），被誉为世界上第一台电子计算机。这台计算机使用了电子真空管，二进制逻辑计算，但还不能编程。

ABC计算机结构图解说明

美国宾州大学的物理学教授约翰·莫奇莱（John Mauchly，1907- 1980），曾经观摩过ABC计算机，1042年他写了一份备忘录，建议制造电子计算机来完成弹道表的计算。1943年4月美国陆军阿伯丁弹道实验室与宾州大学摩尔学院签订合同，开始研制ENIAC。在埃克特（J.Preper Eckert，1919-1995）、戈德斯坦（Herman H.GoldStine，l913-）等人的共同努力下，1945年秋制成ENIAC，并于1946年2月15日公诸于世，见图1-6。它可以通过电子开关和电缆完成编程，曾协助了世界上第一颗氢弹的研制。

约翰·莫奇莱（1907- 1980）

埃克特（1919-1995）

ENIAC计算机

 1947年莫奇莱和埃克特离开宾州大学，创立了自己的计算机公司“埃克特—莫契利计算机公司”（EMCC），生产UNIVAC计算机，见图1-7。1951年6月14日UNIVAC交付美国人口统计局使用。舆论界通常认为这标志着人类进人了计算机时代。原因有二：一是UNIVAC首次作为商品出售，它先后生产了近50台，而ENIAC只有一台自用；二是UNIVAC用于公众领域的数据处理，不像ENIAC只用于军事目的。特别是UNIVAC曾在大选中，预告艾森豪威尔当选，这使西方舆论大为轰动。因此，人们认为1951年UNIVAC迎来计算机时代，而与其说莫奇莱和埃克特发明了电子计算机，不如说他们奠定了计算机工业的基础。

UNIVAC计算机

计算机的发展阶段

第一代（1946~1956）电子管  5千~4万（次/秒）

基本特征采用电子管作为计算机的逻辑元器件，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅数KB。其数据表示主要是定点数，使用机器语言或汇编语言编写程序。第一代电子计算机体积庞大，造价昂贵，用于军事和科学研究工作。其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。

IBM 650

IBM 709

第二代（1957~1964）晶体管几十万~百万（次/秒）

基本特征是采用晶体管作为计算机的逻辑元器件，由于电子技术的发展，运算速度达每秒几十万次，内存容量增至几十KB。与此同时，计算机软件技术也有了较大发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有贝尔实验室的TRADIC、IBM 7094、CDC 7600。

贝尔实验室的TRADIC

第三代（1965~1970）集成电路百万~几百万（次/秒）

基本特征是采用小规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，随着固体物理技术的发展，集成电路工艺己可以在几平方毫米的单晶硅集成电路片上集成由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路。它的运算速度每秒可达几十万次到几百万次，体积越来越小，价格越来越低，软件越来越完善，在监控程序的基础上发展形成了操作系统。其代表机型有IBM360。

IBM 360

1973年中国第一台百万次计算集成电路计算机

第四代（1971~现在）大规模/超大规模集成电路几百万~几十亿亿（次/秒）

基本特征是采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，20世纪70年代以来，集成电路制作工艺取得了迅猛的发展，在硅半导体上可集成更多的电子元器件，半导体存储器代替了磁芯存储器，目前，计算机的速度最高可以达到每秒几十亿亿次浮点运算。操作系统不断完善，高级程序设计语言功能更加完善，人们的生活与计算机应用息息相关。

超大规模集成时代，微型计算机的性能主要取决于它的核心器件——微处理器（CPU）的性能。

      超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuites,VLSI)技术支持的CPU芯片

我们日常使用的各种电子设备都是最新一代的电子计算机

未来：纳米计算机、分子计算机、量子计算机、光子计算机

1.2.计算机的发展趋势：

微型化：依赖于高性能的计算器件。计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。

巨型化：依赖于高性能计算机的体系结构。运算速度可达每秒几十亿亿次运算的超级计算机。

1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。

Cray-I 计算机

美国的Summit是2018年全球最快的超级计算机。Summit的最高运算速度为200 petaflops，能够每秒执行多达20亿亿（2x10^17)次的“浮点数操作”。

Summit计算机

中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、 “银河2号”和“银河3号”“天河1号”、“天河2号”。国家职能计算机中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”。国家并行计算机工程技术研究中心推出的“神威·太湖之光”。

网络化：计算机技术与通信技术结合的产物。

计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。

云计算（cloudcomputing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。

云计算服务安全应用示例

智能化：依赖于高性能的算法和软件，以及和谐的人机交互环境。伴随着信息技术的发展，未来的计算机必然会朝着智能化的方向发展。计算机基本上已经具备人性化的功能，不仅存在一定的逻辑性同时也不具备一定的学习能力，相信在未来社会的发展中计算机会逐渐的适应人类生活与工作的状态，进而在很大程度上方便人类的生活与工作。

第一代机器人机械手（1962年出现）

第二代机器人具有“感觉”的机器人

第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”

1.3.计算机的前沿技术领域：

人工智能（AI）：机器学习，尤其是神经网络技术的发展，带动人工智能领域的大幅进步。著名的AlphaGo战胜李世石的挑战使得人工智能吸引了全世界的目光。然而AI的应用领域远不止下棋这样狭窄，其在多个影响我们日常生活的领域都在发挥作用：计算机视觉、人脸识别、自动驾驶、车联网、无人送货车，各种机器人。

具有人工智能技术的无人送货车

超算：百亿亿次超级计算机也就是E级超级计算机。美国和日本均已提出E级超级计算机的研制计划，拟在2020年或之后完成研制。我国自主研发的新一代百亿亿次超级计算机——“天河三号”E级原型机完成研制部署，并顺利通过分项验收。该原型机系统采用了三种国产自主高性能计算和通信芯片。在此基础上，“天河三号”超级计算机预计于2020年研制成功。

天河三号

云计算：云计算是一种基于网络的提供动态资源池、虚拟化和高可用性服务的下一代计算模式，通过网络上异构、自制的服务为个人和企业提供按需即取的计算。著名的云计算服务提供方有亚马逊、微软、阿里云等。

阿里云服务器Elastic Compute Service（ECS）

物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。核心是将互联网扩展应用于我们所生活的各个领域。物联网体系架构由感知层、网络层、应用层组成。感知层实现智能感知，包括信息采集、捕获和物体识别。网络层实现信息的传送和通信。应用层则包括各类应用，如监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。目前物联网主要应用在城市运行管理、医疗卫生领域、农业领域的应用、生态环境方面。

物联网——the Internet of Things

区块链：是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。所谓共识机制是区块链系统中实现不同节点之间建立信任、获取权益的数学算法。区块链（Blockchain）是比特币的一个重要概念，它本质上是一个去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术。区块链是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块。

去中心化的区块链

狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构， 并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式。

可以用区块链的一些领域可以是： 智能合约、证券交易、电子商务、物联网、社交通讯、文件存储、存在性证明、身份验证、股权众筹等等。

大数据分析：大数据是无法在一定时间内用通常的软件工具进行收集、分析、管理的大量数据的集合。一般用“4V”概括，即：Volume:数据量大；Variety：数据类型多；Value：数据的价值密度很低；Velocity：数据产生和处理的速度非常快。计算机存储和运算能力的提高，以及分布式计算技术的发展，使得大数据的收集和处理成为可能。算法层面依靠数据挖掘技术，基础设施依赖云计算，管理方面注重安全问题。

西安电子科技大学2018年迎新大数据

智慧城市：运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。具体来说，包括智慧安防、交通、建筑等。

智慧城市照顾到人生活的方方面面

网络安全：随着物联网、新零售、工业物联网等的发展，各行各业都在走向信息化，并开始向云端迁移。网络上汇集了越来越多的信息，尤其是隐私相关信息，隐私信息泄露和远程控制的风险也就越来越高，信息安全也变得格外重要。

网络安全的重要性

1.4 计算机工程与社会、可持续发展

计算机工程是目前信息技术的基础，它大大便利了信息的传播，数值的运算、程序的控制与优化等等。其广泛使用，已经在极大程度上改变了现代社会的面貌。

计算机与信息技术是未来社会可持续发展的基础与支柱。信息技术必将加快管理自动化进程，改善教育与医疗卫生条件并极大地改变人们的工作和生活方式。信息技术应用于资源、环境监测与信息反馈，能使人类及时调整自身行为，达到与自然协调。