一、计算机的概念

计算机又称电脑，是一种电子设备，它能够按照指令自动地控制操作过程，并对输入的信息进行加工、处理、存储及输出处理后的信息。

计算机作为20世纪最伟大的科技发明之一，在短短的70年中，经过了跨越式的飞速发展，功能越来越强大，应用范围越来越广泛。因此，有必要掌握计算机的基本使用方法。

二、计算机的发展简史

在人类文明发展的历史长河中，计算工具经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程。如：绳结、算筹、算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等。它们在不同的历史时期发挥了各自的作用，而且也孕育了电子计算机的设计思想和雏形。

第二次世界大战的爆发带来了强大的计算机需求。宾夕法尼亚大学电子工程系的教授约翰·莫克利$2John Mauchly$3和他的研究生埃克特$2John Presper Eckert$3计划采用真空管建造一台通用的电子计算机，帮助军方计算弹道轨迹。1943年，这个计划被军方采纳，莫克利和埃克特开始研制ENIAC $2Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机$3，并于1946年研制成功。

ENIAC的主要元件是电子管，每秒钟能完成5000次加法运算，300多次乘法运算，比当时最快的计算工具快300倍。该机器耗资40万美元，使用1500个继电器、18800个电子管，占地170平方米，重达30多吨，耗电150千瓦，真可谓“庞然大物”。用ENIAC计算题目时，首先，工作人员要根据题目的计算步骤预先编好一条条指令，再按指令连接好外部线路，然后启动它自动运行并输出结果。当要计算另一个题目时，必须重复进行上述工作，所以只有少数专家才能使用。尽管这是ENIAC机的明显弱点，但它使过去借助机械的分析机需7到20小时才能计算一条弹道轨迹的工作时间缩短到30秒，使科学家们从奴隶般的计算中解放出来。至今人们仍然公认， ENIAC的问世标志了计算机时代的到来，它的出现具有划时代的伟大意义。被广泛认为是世界上第一台现代意义上的计算机。

ENIAC证明电子真空管技术可以大大提高计算速度，但ENIAC本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，电路连线繁琐耗时，要花几小时甚至几天时间，在很大程度上抵消了ENIAC的计算速度。为此，莫克利和埃克特不久后开始研制新的机器——电子离散变量自动计算机$2Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC$3。

由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼$2John von Neumann$3总结并归纳了EDVAC的主要特点：

（一）采用二进制

在计算机内部，程序和数据采用二进制代码表示。

（二）存储程序控制

程序和数据存放在存储器中，即程序存储$2 Stored-Program$3的概念。计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果。

根据冯·诺依曼的原理和思想，决定了计算机应具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本功能部件。

今天的计算机的基本结构仍采用冯·诺依曼提出的原理和思想，所以人们称符合这种设计的计算机是冯·诺依曼机。

从第一台计算机的诞生到现在，计算机技术经历了大型机、微型机及网络阶段。对于传统的大型机，根据计算机所采用电子元件的不同而划分为电子管、晶体管、小规模和中规模集成电路、大规模和超大规模集成电路共四代，如表1所示。

表1 计算机发展史

随着集成度更高的特大规模集成电路$2Super Large Scale Integrated circuits， SLSI$3技术的出现，使计算机朝着微型化和巨型化两个方向发展。尤其是微型计算机，自1971年第一片微处理器诞生之后，异军突起，以迅猛的气势渗透到工业、教育、生活等许多领域之中。以1981年出现的IBM PC为代表，开始了微型机阶段，几乎每隔一两年，其芯片的集成度和性能都提高一倍，价格也大幅度降低。每隔几个月，就会有新产品相继问世；不仅从功能和性能上可以与大、中、小型机相媲美，而且在外观上也优于其他类型的计算机，目前已出现了膝上型、掌上型、口袋式、笔记本式等便于携带的微型机。微型机具有体积小、价格低廉、可靠性强、使用方便等特点，加之软件功能不断完善而迅速地得到了推广和普及，使各个行业的基本业务信息由手工处理逐渐转为计算机处理。微型机的发展和普及极大地拓宽了计算机的应用领域，既减轻了人们的脑力劳动，提高了工作生活效率，又满足了信息社会人类对信息的高质量要求，使人类生活进入到全新的信息时代，因此有人把微型机的发展作为时代发展的里程碑。

我国在1956年，由周恩来总理亲自提议、主持、制定了《十二年科学技术发展规划》，选定了“计算机、电子学、半导体、自动化”作为“发展规划”的四项内容，并制定了计算机科研、生产、教育发展。我国由此开始了计算机研制的起步。1958年研制成功第一台电子管计算机103机；1964年研制出第二代晶体管计算机；1971年研制出第三代集成电路计算机；1977年研制出第一台微机DJS050；1983年成功研制“深腾1800”计算机，运算速度超过1万次/秒；2003年自主研制出10万次曙光4000A高性能计算机；2010年国防科技大研制出“天河一号”。2016年6月，中国已经研发出了世界上最快的超级计算机“神威太湖之光”，目前落户在位于无锡的中国国家超级计算机中心。该超级计算机的浮点运算速度位居世界第二，达9.3亿亿次每秒。

三、计算机的特点

曾有人说，机械可使人类的体力得以放大，计算机则可使人类的智慧得以放大。作为人类智力劳动的工具，计算机具有以下主要特性：

（一）高速、精确的运算能力

计算机的核心能力就是可进行高速、精确的运算，计算机运算速度的快慢也成为了衡量一个计算机性能好坏的硬性指标。目前世界各国都在努力研制超高运算速度的超级计算机，而一个国家超级计算机的水平也间接反映了这个国家的科技水平。

（二）准确的逻辑判断能力

计算机能够进行逻辑处理，也就是它能“思考”。这是计算机科学界一直为之努力的目标。虽然它现在的“思考”还只局限在某一方面，还不能与人类的思考相比。但在信息查询等方面，已经能够根据要求进行匹配检索，现在已经是计算机的一个常规应用。

（三）强大的存储能力

计算机能存储大量数字、文字、图像、视频、声音等各种信息，“记忆力”超群，它能轻易地记忆一个大型图书馆的所有资料。计算机强大的存储力不但表现在容量大，还表现在“持久”。对于需要长期保存的数据，无论是以哪种文件形式，它都能长期保存。

（四）自动功能

计算机能将预先编好的指令$2也就是程序$3先“记”下来，然后自动地逐条读出这些指令并执行，工作过程完全自动化，不需要人的干预，而且可以反复进行。

（五）网络与通信功能

计算机技术发展到现在，不仅可以把一个个城市的计算机连成一个网络，而且能将一个个国家的计算机连在一个计算机网上。目前最大、应用范围最广的“国际互联网”$2Internet$3连接了全世界200多个国家和地区数亿台的计算机。在网上的计算机用户可以共享资料、交流信息、互相学习。

计算机之所以具有强大的功能，能够应用于各个领域，就是能够按照程序引导确定步骤，对输入的数据进行加工处理、存储或传送，以获得期望的输出信息，从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率以及改善人们的生活质量。计算机网络功能的重要意义是：改变了人类交流的方式和信息获取的途径。

四、计算机的应用

计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”也因此得名。而今的计算机几乎和所有学科相结合，包括电话、移动通信在内的现代通信技术的发展，对经济社会各方面起着越来越重要的作用。我国虽然起步较晚，但在改革开放后取得了很大的进步，缩小了与世界的距离。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到了广泛的应用。

（一）科学计算

科学计算主要是使用计算机进行数学方法的实现和应用。今天计算机“计算”能力的增加，推进了许多科学研究的进展。如著名的人类基因序列分析计划，人造卫星的轨道测算等。国家气象中心使用计算机，不但能够快速、及时地对气象卫星云图数据进行处理，而且可以根据对大量历史气象数据的计算进行天气预测报告。所有这些在没有使用计算机之前，是根本不可能实现的。

（二）数据/信息处理

数据/信息处理也称为非数值计算。随着计算机科学技术的发展，计算机的“数据”不仅包括“数”，而且包括更多的其他数据形式，如文字、图像、声音信息等。数据处理就是对这些数据进行输入、分类、存储、合并、整理以及统计、报表、检索查询等。

数据处理是目前计算机应用最多的一个领域。例如，计算机在文字处理方面已经改变了纸和笔的传统应用，它所产生的数据不但可以被存储、打印，还可以进行编辑、复制等。在信息处理方面一个最重要的技术就是计算机数据库技术，它在信息管理、决策支持等方面提高了管理和决策的科学性。

（三）过程控制

过程控制是利用计算机对生产过程、制造过程或运行过程进行检测与控制，即通过实时监控目标对象的状态，及时调整被控对象，使被控对象能够正确地完成生产、制造或运行。

过程控制广泛应用在各种工业环境中，这不仅是控制手段的改变，而且拥有众多优点。第一，能够替代人在危险、有害的环境中作业。第二，能在保证同样质量的前提下连续作业，不受疲劳、情感等因素的影响。第三，能够完成人所不能完成的高精度、高速度、时间性、空间性等要求的操作。

（四）计算机辅助

计算机辅助是计算机应用的一个非常广泛的领域。几乎所有过去由人进行的具有设计性质的过程都可以让计算机帮助实现部分或全部工作。计算机辅助或叫做计算机辅助工程主要有：计算机辅助设计$2Computer Aided Design，CAD$3，计算机辅助制造$2Computer  Aided  Manufacturing，CAM$3，计算机辅助教育$2Computer-Assisted $2Aided$3 Instruction，CAI$3，计算机辅助技术$2Computer Aided Technology/Test，Translation，Typesetting，CAT$3，计算机仿真模拟$2Simulation$3等。

计算机模拟和仿真是计算机辅助的重要方面。在计算机中起重要作用的集成电路，如今它的设计、测试之复杂是人工难以完成的，只有计算机才能够做到。再如，核爆炸和地震灾害的模拟，都可以通过计算机实现，它能够帮助科学家进一步认识被模拟对象的特性。对一般应用，如设计一个电路，使用计算机模拟就不需要使用电源、示波器、万用表等工具进行传统的预实验，只需要把电路图和使用的元器件输入到计算机软件，就可以得到需要的结果，并可以根据这个结果修改设计。

（五）网络与通信

将一个建筑物内的计算机和世界各地的计算机通过电话交换网等方式连接起来，就可以构成一个巨大的计算机网络系统，做到资源共享，相互交流。计算机网络的应用所涉及的主要技术是网络互联技术、路由技术、数据通信技术，以及信息浏览技术和网络安全技术等。

计算机通信几乎就是现代通信的代名词。如目前发展势头已经超过传统固定电话的移动通信就是基于计算机技术的通信方式。

（六）多媒体应用

多媒体是包括文本、图形、图像、音频、视频、动画等多种信息类型的综合。多媒体技术是指人和计算机交互地进行上述多种媒体信息的捕捉、传输、转换、编辑、存储、管理，并由计算机综合处理为表格、文字、图形、动画、音频、视频等视听信息有机结合的表现形式。多媒体技术拓宽了计算机的应用领域，使计算机广泛应用在商业、服务业、教育、广告宣传、文化娱乐、家庭等方面。同时，多媒体技术与人工智能技术的有机结合还促进了虚拟现实、虚拟制造技术的发展，使人们可以在计算机虚拟的环境中，通过计算机仿真零件盒产品，感受产品各方面的功能与性能。

（七）嵌入式系统

并不是所有计算机都是通用的。有许多特殊的计算机用于不同的设备中，包括大量的消费电子产品和工业制造系统，都是把处理器芯片嵌入其中，完成特定的处理任务。这些系统称为嵌入式系统。如数码相机、数码摄像机以及高档电动玩具等都使用了不同功能的处理器。

五、计算机医学应用

作为医学工作者，有必要了解计算机在医学领域的应用情况。20世纪50年代末开始，计算机应用逐渐渗透到医药卫生领域，并形成了一门多学科交叉的边缘学科——医药信息学（Medical Information Science $3,它的研究对象是具有生命活动特征的医学信息。70年代末“国际医药信息学会”宣告成立，80 年代初“中国医药信息学会”成立。这两个学会的成立以及开展工作为医药信息学的发展做出了巨大的贡献。

20世纪90年代全球性的信息高速公路建设浪潮给计算机医学应用带来新的机遇和挑战。1995年中国卫生部宣布启动“金卫工程”建设项目，这是一项以医院信息系统为基础，包括建设城镇职工医疗保险信息网 络和远程诊疗信息系统的大型信息系统，各省市区正在抓紧实施。下面讨论计算机医学应用的主要方面。

①医院信息系统。医院信息系统（Hospital Information System, HIS$3是采集、管理医院各类信息，实现信息共享的计算机网络系统。国外的医院信息系统研究始于20世纪50年代，大多系统建立在大型或小型主机上。目前正由集中式系统向分布式系统过渡；从单纯面向管理到面向医疗过渡；从医院局域网到逐步与院外的广域网相连接。我国的医院信息系统建设始于20世纪80年代，大体上经历了单机单任务、基于文件服务器的医院内部的信息系统、客户端/服务器体系结构的医院信息系统三个阶段。“金卫工程”的启动，促进了各地区的HIS系统建设，国内具有代表性的建设项目有卫生部医院管理研究所主持开发的“中国医院信息系统”和解放军总后勤部卫生部主持开发的军队HIS系统。医学大数据的概念，首先数据置大，常规的方法难于处理这样的数据。数据源自医院信息系统或其他多维数据源，包括临床数据和基因组数据，也包括环境暴露、日常生活习惯、地理位置信息、社交媒体及其他多种多样的数据。我们可以对人体的疾病状态和发展过程进行更相近的描绘和更为透彻的理解。医学大数据为生物学家、临床医生、流行病学家及医疗卫生政策制定专家提供了有效的工具，使得数据驱动的决策制定成为可能，并最终对患者及整个人群产生有益影响。

②医学数据处理。人工处理医学数据是相当烦琐的。医学统计的软件诞生把广大医学科技工作者从烦琐的数据计算中解脱出来，同时提高了数据处理结果的准确性、可靠性和科研管理水平。目前常用的统计软件有SAS、SPSS等。

医学数据的科学计算已成为医学图像处理、医学计算机仿真（医学生理仿真、医学临床仿真）的重要手段。"人类基因组计划"是人类探索自身奥秘的计划，所建立的人类基因组图将成为疾病的预测、预防、诊断、治疗的基础。由于基因数据的超级庞大，这一跨世纪的大型工程就只有利用计算技术和网络技术才可能实施；人类基因研究的背景和计算机技术的结合，诞生了目前科学领域最热门学科之一的"生物偏息学。

③医药信息检索系统。早期的医药信息检索一般使用主从结构的国际联机检索系统，用户获得的信息有限，要求用户有较强的检索技能，并且检索费用高，令人望而却步。另外-种变通办法是用户单位订购某类光盘（如Medline$3，让用户在本地检索信息。

目前，随着Internet的飞速发展和信息高速公路计划的提出与实施，用户通过网络可以访问多台信息服务器，检索手段灵活。Internet的发展是促使国际联机检索系统向客户端/服务器体系结构的网络系统过渡的重要原因。我国已经建成“中国500所大型医院信息库”“中国医院信息网”等信息资源库。

④智能化医疗仪器的研制。微型计算机、微处理机以及单片机的诞生使计算机应用于智能化医疗仪器的研制成为可能。已有的各类智能化医疗仪器有电子温度计、电子血压计、心电功能监护仪、生化分析仪等，电子计算机断层扫描仪（CT$3、核磁共振仪（NMR$3、正电子发射成像（PET$3、单光子发射成像（SPECT）和γ刀等。尤其是CT、NMR等大型医疗仪器的研制和应用使医学影像诊断手段前进了一大步，而计算机在三维超声诊断、各种射线治疗设备（γ刀等）等计算机辅助治疗方面的应用，大大提高了医疗水平。

⑤医学专家系统。医学专家系统（Medical Expert System$3是以医学专家知识为基础，以解决某一医学领域问题的人工智能系统。这是国内计算机医学应用最活跃的领域之一，尤以中医计算机辅助诊断系统独具特色，受到国内、国际的重视和关注。它的作用是协助医生做出更正确的诊断，制订更合理的医疗方案。

有理由相信生物芯片、纳米技术的引入将进一步促进计算机医学应用的深入和发展。

六、计算机的分类

计算机发展到今天，已是琳琅满目，种类繁多，分类方法也各不相同。分类标准不是固定不变的，只能针对某一个时期，从不同角度对它们进行分类，如图1所示。

图1 计算机的分类

（一）按处理数据的类型分类

可分为数字计算机、模拟计算机、混合计算机。

（二）按使用范围分类

可分为通用计算机和专用计算机。

（三）按其性能、规模和处理能力分类

1.巨型计算机$2Supercomputer$3 巨型机是指速度最快、处理能力最强的计算机，现在称为高性能计算机。高性能计算机数量不多，但却有重要和特殊的用途。运用这些超级计算机之后，复杂的计算得以实现。在军事上，可以用于战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统。在民用方面，可用于大区域中长期天气预报、大面积物探信息处理系统、大型科学计算和模拟系统等。

我国的巨型机之父是2002年国家最高科学技术奖获得者金怡濂院士他在20世纪90年代提出了一个我国超大规模巨型计算机研制的全新的跨越式方案，这一方案把我国巨型机的峰值运算速度从每秒十亿次提升到每秒3000亿次以上，跨越了两个数量级。

2.大型计算机$2Mainframe$3 大型通用机是对一类计算机的习惯称呼，其特点是通用性强，具有较高的运算速度、极强的综合处理能力和极大的性能覆盖，运算速度为每秒100万次至几千万次，主要应用于科研、商业和管理部门。通常人们称大型机为“企业级”计算机，其通用性强，但价格比较贵。

大型机系统可以是单处理机、多处理机多个子系统的复合体。

在信息化社会里，随着信息资源的剧增，带来了信息通信、控制和管理等一系列问题，而这正是大型机的特长。未来将赋予大型机更多的使命。它将广泛应用于企业的所有应用领域：大型事物处理、企业内容的信息管理与安全保护、大型科学与工程计算等。

3.微型计算机$2Microcomputer$3 微型机是微电子技术飞速发展的产物。自IBM公司于1981年采用Intel的未处理器退出IBM PC 以来，微型机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等优点在过去30年中得到了迅速的发展，成为计算机的主流。微型机技术在近10年内发展速度迅猛，平均每两年芯片的集成度可提高一倍，性能提高一倍，价格降低一半。今天，微型计算机的应用已经遍及社会的各个领域：从工厂生产控制到政府的办公自动化，从商店数据处理到家庭的信息管理等。

随着社会信息化进程的加快，强大的计算能力对每一个用户必不可少，移动办公必将成为一种重要的办公方式。因此，一种可随身携带的“便携机”应运而生，笔记本型计算机就是其中的典型产品之一。

根据微型机是否由最终用户使用，微型机可分为独立式微机和嵌入式微机。嵌入式微机作为一个信息处理部件安装在应用设备里，最终用户不直接使用计算机，使用的是应用设备，如包含有微机的医疗设备及电冰箱、洗衣机、微波炉等。嵌入式微机一般是单片机或单板机。

单片机是将中央处理器、存储器和输入/输出接口采用超大规模集成电路技术集成到一块硅芯片上。单片机本身的集成度相当高，所以ROM、RAM容量有限，接口电路也不多，适用于小系统中。单板机就是在一块电路板上把CPU、一定容量的ROM/RAM以及I/O接口电路等大规模集成电路芯片组装在一起而成的微机，并配有简单外设如键盘和相似器，通常电路板上的固化有ROM或者EPROM的小规模监控程序。

微型计算机的结构有：单片机、单板机、多芯片机和多板机。

PC机的出现使得计算机真正面向个人，真正成为大众化的信息处理工具。现在，人们手持一部“便携机”，便可以通过网络随时随地与世界上任何一个地方实现信息交流与通信。原来保存在桌面和书柜里的部分信息将存入随身携带的电脑中。

4.工作站$2Workstation$3 工作站是一种高档的微型计算机，它比微型机有更大的存储容量和更快的运算速度，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内部存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能及联网功能。工作站主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域，具有很强的图形交互与处理能力，因此在工程领域，特别是计算机辅助设计领域得到了广泛应用。工作站一般采用开放式系统结构，即将机器的软、硬件接口公开，并尽量遵守国际工业界的流行标准，以鼓励其他厂商和用户围绕工作站开发软件、硬件产品。目前，多媒体等各种新技术已普遍集成到工作站中，使其更具特色。它的应用领域不仅有最初的计算机辅助设计，而且扩展到商业、金融、办公领域，并可充当网络服务器。

5.服务器$2Server$3 服务器作为网络的结点，存储、处理网络上80%的数据、信息，因此成为网络的灵魂。近年来，随着互联网的普及，各种档次的计算机在网络中发挥着各自不同的作用，而服务器在网络中扮演着最主要的角色。服务器可以是大型机、小型机、工作站或高档微机。服务器可以提供信息浏览、电子邮件、文件传送、数据库等多种业务服务。

服务器主要有以下特点：

（1）只有在客户机的请求下才为其提供服务：服务器对客户透明。一个与服务器通信的用户面对的是具体的服务，完全不必知道服务器采用的是什么机型以及运行的是什么操作系统。

（2）服务器严格地说是一种软件的概念：一台作为服务器使用的计算机通过安装不同的服务器软件，可以同时扮演几种服务器的角色。

七、未来计算机的发展趋势

（一）计算机的发展趋势

1.巨型化 巨型化是指计算速度更快、存储容量更大、功能更强、可靠性更高的计算机。其运算能力一般在每秒百亿次以上，内存容量在几百G字节以上。巨型计算机主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。巨型计算机的发展集中体现了计算机科学技术的发展水平。

2.微型化 微型化是指发展体积更小、功能更强、可靠性更高、携带更方便、价格更便宜、适用范围更广的计算机系统。因为微型机可渗透到诸如仪表、家用电器、导弹弹头等中、小型机无法进入的领域，所以20世纪80年代以来发展异常迅速。预计微型机性能指标将持续提高，而价格将持续下降。当前微型机的标志是运算部件集成在一起，今后将逐步发展到对存储器、通道处理机、高速运算部件、图形卡、声卡的集成，进一步将系统的软件固化，达到整个微型机系统的集成。

3.网络化 网络化是指利用通信技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享软件、硬件和数据资源的目的。

4.智能化 智能化是指让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能计算机具有解决问题和逻辑推理的功能，以及知识处理和知识库管理的功能等。人与计算机的联系是通过智能接口，用文字、声音、图像等与计算机自然对话。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。在21世纪，以计算机为基础的人工智能技术将得到极大发展，各种智能机器人会大量出现，要使计算机能代替人类做更多的工作，就要使计算机有更接近人类的思维和智能。未来的计算机将能接受自然语言的命令，有视觉、听觉和触觉。将来的计算机可能不再有现在计算机这样的外形，体系结构也会不同。

目前已研制出的机器人有的可以代替人从事危险环境的劳动，有的能与人下棋等，这都从本质上扩充了计算机的能力，使计算机成为可以越来越多地替代人的思维活动和脑力劳动的电脑。

（二）未来新一代的计算机

计算机中最核心的部件是芯片，芯片制造技术的不断进步是推动计算机技术发展的动力。

目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造，即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在硅片表面以进行线路蚀刻。当前主要是用紫外光进行光刻操作，随着紫外光波长的缩短，芯片上的线宽将会继续大幅度缩小，同样大小的芯片上可以容纳更多的晶体管，从而推动半导体工业继续前进。

然而以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的。目前有可能的技术至少有4种：纳米技术、光技术、生物技术和量子技术。利用这些技术研究新一代计算机就成为全世界各国研究的焦点。

1.模糊计算机 1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。依照模糊理论，判断问题不是以是、非两种绝对的值或0与1两种数码来表示，而是取许多值，如接近、几乎、差不多及差得远等模糊值来表示。用这种模糊的、不确切的判断进行工程处理的计算机就是模糊计算机。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的计算机。模糊计算机除具有一般计算机的功能外，还具有学习、思考、判断和对话的能力，可以立即辨识外界物体的形状和特征，甚至可帮助人从事复杂的脑力劳动。日本科学家把模糊计算机应用在地铁管理上。日本东京以北320km的仙台市的地铁列车，在模糊计算机控制下，自1986年以来一直安全、平稳地行驶着。车上的乘客可以不必攀扶拉手吊带，这是因为，在列车行进中模糊逻辑“司机”判断行车情况的错误几乎比人类司机要少70%。1990年，日本松下公司把模糊计算机装在洗衣机里，能根据衣服的肮脏程度、衣服的质料调节洗衣程序。我国有些品牌的洗衣机也装上了模糊逻辑计算机芯片。此外，人们又把模糊计算机装在吸尘器里，可以根据灰尘量以及地毯的厚实程度调整吸尘器的功率。模糊计算机还能用于地震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控制、海空导航巡视等多个方面。

2.生物计算机 微电子技术和生物工程这两项高科技的互相渗透，为研制生物计算机提供了可能。20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸$2DNA$3处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的导通或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等，激发了科学家们研制生物元件的灵感。1995年，来自各国的200多位有关专家共同探讨了DNA计算机的可行性，认为生物计算机是以生物电子元件构建的计算机，而不是模仿生物大脑和神经系统中信息传递、处理等相关原理来设计的计算机。其生物电子元件是利用蛋白质具有的开关特性，用蛋白质分子制成集成电路，形成蛋白质芯片、红血素芯片等。利用DNA化学反应，通过和酶的相互作用可以使某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程可以制成新型的生物计算机。科学家们认为生物计算机的发展可能要经历一个较长的过程。

3.光子计算机 光子计算机是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成光路技术，把光开关、光存储器等集成在一块芯片上，再用光导纤维连接成计算机。1990年1月底，贝尔实验室研制成第一台光子计算机，尽管它的装置很粗糙，由激光器、透镜、棱镜等组成，只能用来计算。但是，它毕竟是光子计算机领域中的一大突破。正像电子计算机的发展依赖于电子器件，尤其是集成电路一样，光子计算机的发展也主要取决于光逻辑元件和光存储元件，即集成光路的突破。近十年来CD-ROM光盘、VCD光盘和DVD光盘的接踵出现，是光存储研究的巨大进展。网络技术中的光纤信道和光转换器技术已相当成熟。光子计算机的关键技术，即光存储技术、光互联技术、光集成器件等方面的研究都已取得突破性的进展，为光子计算机的研制、开发和应用奠定了基础。现在，全世界除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光子计算机，预计未来将出现更加先进的光子计算机。

4.超导计算机 1911年昂尼斯发现纯柔在4.2K低温下电阻变为零的超导现象。超导线圈中的电流可以 无损耗地流动。在计算机诞生之后，超导技术的发展使科学家们想到用超导材料来替代半导体制造计算机。早期的工作主要是延续传统的半导体计算机的设计思路，只不过是将半导体材料制备的逻辑门电路改为用超导体材料制备的逻辑门电路。从本质上讲并没有突破传统计算机的设计构架，而且，在20世纪80年代中期以前，超导材料的超导临界温度仅在液氮温区，实施超导计算机的计划费用昂贵。然而，在1986年左右出现重大转机，高温超导体的发现使人们可以在液氮温区获得新型超导材料，于是超导计算机的研究又获得了各方面的广泛重视。超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，运算速度是传统计算机无法比拟的。所以，世界各国科学家都在研究超导计算机，但还有许多技术难关有待突破。

5.量子计算机 量子计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题，其概念源于对可逆计算机的研究。现在放在我们面前的高速现代化的计算机与计算机的祖先“ENIAC”机相比并没有什么本质的区别，尽管计算机体积己经变得更加小巧，而且执行任务也非常快，但是计算机的任务却并没有改变，即对二进制位0和1的编码进行处理并解释为计算结果。每个位的物理实现是通过一个肉眼可见的物理系统完成，例如从数字和字母到我们所用的鼠标或调制解调器的状态等都可以用一系列0和1的组合来代表。传统计算机与量子计算机之间的区别是传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机则是遵循着独一无二的量子动力学规律，是一种信息处理的新模式。在量子计算机中，用“量子位”来代替传统电子计算机的二进制位。二进制位只能用“0”和“1”两个状态表示信息，而量子位则用粒子的量子力学状态来表示信息，两个状态可以在一个“量子位”中并存。量子位既可以用与二进制位类似的“0”和“1”，也可以用这两个状态的组合来表示信息。正因如此，量子计算机被认为可以进行传统电子计算机无法完成的复杂计算，其运算速度将是传统电子计算机无法比拟的。

最近，由年轻的华裔科学家艾萨克·庄领衔的IBM公司科研小组向公众展示了迄今最尖端的“5比特量子计算机”。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机，而是要使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机，如光子计算机和生物计算机等的不同之处。目前关于量子计算机所应用的材料研究仍然是其中的一个基础研究问题。

八、信息技术的发展

信息社会的到来，给全球带来了信息技术飞速发展的契机。半个多世纪以来，人类社会正由工业社会全面进入信息社会，其主要动力就是以计算机技术、通信技术和控制技术为核心的现代信息技术的飞速发展和广泛应用。纵观人类社会发展史和科学技术史，信息技术在众多的科学技术群体中越来越显示出强大的生命力。随着科学技术的飞速发展，各种高新技术层出不穷，日新月异，但是最主要的、发展最快的仍然是信息技术。

（一）信息技术

随着信息技术的发展，其内涵也在不断变化，因此至今仍没有统一的定义。一般来说，信息采集、加工、存储、传输和利用过程中的每一种技术都是信息技术，这是一种狭义的定义。在现代信息社会中，技术发展能够导致虚拟现实的产生，信息本质也被改写，一切可以用二进制进行编码的东西都被称为信息。因此，联合国教科文组织对信息技术的定义是：应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧。上述方面的技巧和应用：

计算机及其与人、机的相互作用：与之相应的社会、经济和文化等诸种事物。在这个目前世界范围内较为统一的定义中，信息技术一般是指一系列与计算机等相关的技术。该定义侧重于信息技术的应用，对信息技术可能对社会、科技、人们的日常生活产生的影响及其相互作用进行了广泛的研究。

信息技术不仅包括现代信息技术，还包括在现代文明之前的原始时代和古代社会中与那个时代相对应的信息技术。不能把信息技术等同为现代信息技术。

（二）现代信息技术的内容

一般来说，信息技术$2Information Technology， IT$3包含三个层次的内容：信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。

1.信息基础技术 信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。近几十年来，发展最快、应用最广泛、对信息技术以及整个高科技领域的发展影响最大的是微电子技术和光电子技术。

微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中各项工艺技术的总和。

光电子技术是由光子技术和电子技术结合而成的新技术，涉及光显示、光储存、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。

2.信息系统技术 信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心和支撑技术。感测技术是获取信息的技术，主要是对信息进行提取、识别或检测并能通过一定的计算方式显示计量结果。

现代通信技术，一般是指电信技术，国际上称为远程通信技术。

计算机与智能技术是以人工智能理论和方法为核心，研究如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能：如何设计和建造具有高智能水平的计算机应用系统：如何设计和制造更聪明的计算机。一个完整的智能行为周期为：从机器感知，到知识表达：从机器学习，到知识发现；从搜索推理，到规划决策：从智能交互，到机器行为，到人工生命等，构成了智能科学与技术学科特有的认识对象。

控制技术是指对组织行为进行控制的技术。它是多种多样的，常用的控制技术有信息控制技术和网络控制技术两种。

3.信息应用技术 信息应用技术是针对种种实用目的，如由信息管理、信息控制、信息决策而发展起来的具体的技术群类，如工厂的自动化、办公自动化、家庭自动化、人工智能和互联通信技术等。它们是信息技术开发的根本目的所在。

信息技术在社会的各个领域得到广泛的应用，显示出强大的生命力。纵观人类科技发展的历程，还没有一项技术像信息技术一样对人类社会产生如此巨大的影响。

（三）现代信息技术的发展趋势

展望未来，在社会生产力发展、人类认识和实践活动的推动下，信息技术将得到更深、更广、更快的发展，其发展趋势可以概括为数字化、多媒体化、高速度、网络化、宽频带、智能化等。

1.数字化 当信息被数字化并经由数字网络流通时，一个拥有无数可能性的全新世界便由此揭开序幕。大量信息可以被压缩，并以光速进行传输，数字传输的品质又比模拟传输的品质要好得多。许多种信息形态能够被结合、被创造，例如多媒体文件。无论在世界任何的角落，都可以立即存储和取用信息，这是即时存取了大部分人类文明进化的记录。新的数字产品也将被制造出来，有些小巧得足以放进你的口袋里，有些则大得足以对商业和个人生活的各层面都造成重大影响。

2.多媒体化 随着未来信息技术的发展，多媒体技术将文字、声音、图形、图像、视频等信息媒体与计算机集成在一起，使计算机的应用由单纯的文字处理进入文、图、声、影集成处理。随着数字化技术的发展和成熟，以上每一种媒体都将被数字化并容纳进多媒体的集合里，系统将信息整合在人们的日常生活中，以接近于人类的工作方式和思考方式来设计与操作。

3.高速度、网络化、宽频带 目前，几乎所有的国家都在进行最新一代的信息基础建设，即建设宽频高速公路。尽管今日的Internet已经能够传输多媒体信息，但仍然被认为是一条低容量频宽的网络路径，被形象地称为一条花园小径。下一代的Internet技术$2Internet 2$3的传输速率将可以达到2.4 GB / S。实现宽频的多媒体网络是未来信息技术的发展趋势之一。

4.智能化 直到今日，不仅是信息处理装置本身几乎没有智慧，作为传输信息的网络也几乎没有智能。对于大多数人而言，只是为了找有限的信息，却要在网络上耗费许多时间。随着未来信息技术向着智能化的方向发展，在超媒体的世界里，“软件代理”可以替我们在网络上漫游。“软件代理”不再需要浏览器，它本身就是信息的寻找器，它能够收集任何可能想要在网络上获取的信息。