表1-1 计算机发展概况表

在电子计算机的发明过程中，有以下三个具有代表性的人物。

（1） 艾伦 · 图灵

1936年，数学家艾伦·图灵（1912—1954）提出了一种抽象的计算模型——图灵机（Turing Machine），将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器替代人们进行数学运算。

图灵机证明了通用计算理论，肯定了计算机实现的可能性，同时给出了计算机应有的主要架构，为后来计算机的发明奠定了基础。

1966年由美国计算机协会（ACM）设立图灵奖，专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人。

另外，图灵对于人工智能的发展也贡献显著。

1950年，他提出了关于机器思维的问题，他的论文《计算机和智能》（Computing machinery and intelligence）引起了广泛的注意和深远的影响。1950年10月，图灵发表论文《机器能思考吗?》，这一划时代的作品使图灵赢得了“人工智能之父”的桂冠。

（2） 莫西利和埃克特

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学由埃克特领导的“莫尔小组”成功研制出了世界上第一台通用计算机，名为ENIAC（Electronic Numerical Internal And Calculator）。

ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速度不过每秒几千次，但它比当时已有的计算装置要快1000倍，而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。

ENIAC宣告了一个新时代的开始，从此科学计算的大门被打开了。

（3） 冯·诺依曼

冯·诺依曼在1945年3月起草了 “存储程序通用电子计算机方案”，即EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。

这对后来计算机的设计有决定性的影响，其主要思想有三个：计算机系统的冯·诺依曼结构、利用存储程序进行计算机运行、采用二进制编码替代十进制。

这三大思想至今仍为电子计算机设计者所遵循，所以冯·诺依曼被后人称为“计算机之父”。

在计算机的发展过程中，涌现出了很多著名的计算机公司，下面列举部分在各领域突出的计算机公司及其成就，具体情况如表1-2所示。

表1-2部分计算机软硬件公司信息表

2. 计算机应用

计算机在信息社会的应用范围非常广泛，归纳起来有以下5个方面，如表1-3所示。

表1-3计算机应用领域表

3. 计算机常识

计算机常识包括范围较广，本教材着重介绍以下三个知识点。

（1）摩尔定律

摩尔定律是由芯片制造厂商英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）于1965年提出来的。

该定律被称为计算机第一定律，内容主要有以下三种“版本”：

集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。

微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。

用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

摩尔定律揭示了信息技术进步的速度，该定律成为许多工业对于性能预测的基础。

根据历史数据，1971年推出的第一款4004芯片，单位面积上的晶体管数量是2300个，26年后的1997年，奔腾Ⅱ处理器的晶体管数量已经达到了750万个，增加了3200多倍。

由于高纯硅的独特性，集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益，在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，直小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。

（2）量子计算机

2019年10月底，谷歌宣布研制成功名为Sycamore的53位量子芯片，该芯片已经成功实现“量子优越性”，可以在200秒内完成世界上最快的超级计算机IBM Summit需要10000年才能完成的计算。

2020年6月和8月，霍尼韦尔、IBM这两家科技巨头先后宣布其64量子体积的量子计算机性能全球第一。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年，这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

当越来越多的量子计算机即将成为现实，可以肯定地说，21世纪将会成为“量子计算”的世纪。

那什么是量子计算机呢？

量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机，主要基于量子态叠加原理制成。

量子态叠加原理可以由物理学薛定谔的思想实验“薛定谔的猫”形象理解，即和镭、氰化物关在一个箱子里的猫在观察者打开箱子之前既不能说是存活也不能说是死亡，而是存活和死亡的叠加态。

量子态叠加原理使得量子计算机每个量子比特（qubit）能够同时表示二进制中的 0 和 1，从而相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性”。

经典计算机以晶体管的开闭状态分别表示0和1。

量子计算机使用两态量子系统比如电子的自旋、光的偏振等作为量子比特（qubit），由于量子态叠加原理能够同时表示 0 和 1。量子比特较经典比特具有更多信息，且呈幂指数级别增加。

以 4 位的计算机为例，1 台 4 位经典计算机一次表示1种状态，1台4位量子计算机一次表示16种状态。理论上，1 台 n 位的量子计算机算力=2n台n位的经典计算机算力。

（3）芯片制造

芯片是集成电路的载体。芯片制作完整过程包括：芯片设计、晶片生产、芯片封装、芯片测试等几个环节（如图1-1所示），其中晶片生产过程尤为复杂。

图1-1 芯片制作完整过程图

芯片设计

这是芯片制造的初级阶段，也是一项很重要和复杂的工作。主要分为电路设计、设计版图和制作光罩三部分。

晶圆生产

芯片的原料是晶圆，晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体需要的晶圆。

晶圆越薄，生产的成本越低，但对工艺就要求得越高。晶圆生产的大致流程就是：制作晶圆裸片，然后利用光罩光刻，重复多次光刻后形成晶圆，最后要对晶圆进行测试，舍弃次品。

芯片封装

封装将通过晶圆切割、焊线完成晶圆固定和绑定引脚等步骤。

芯片测试

测试又可分为一般测试和特殊测试，前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。

而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。

4. 计算机领域奖项

（1）图灵奖

图灵奖（Turing Award）由美国计算机协会（ACM）于1966年设立，专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人，其名称取自计算机科学的先驱、英国科学家艾伦·麦席森·图灵（Alan M. Turing）。

由于图灵奖对获奖条件的要求极高，评奖程序又极严，一般每年只奖励一名计算机科学家，只有极少几年有两名合作者或在同一方向做出贡献的科学家共享此奖，因此它是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。

（2）诺贝尔物理学奖

诺贝尔物理学奖是根据诺贝尔1895年的遗嘱而设立的五个诺贝尔奖之一，该奖旨在奖励那些对人类物理学领域里作出突出贡献的科学家。

诺贝尔物理学奖于1901年首次颁发至今，已经颁发给计算机领域多位突出贡献者。

晶体管的发明

1956年诺贝尔物理学奖授予肖克利、巴丁和布拉坦, 以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。

晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域有划时代意义的一件大事。由于晶体管比电子管有体积小、耗电省、寿命长、易固化等优点，它的诞生使电子学发生了根本性的变革，它拨快了自动化和信息化的步伐，从而对人类社会的经济和文化产生不可估量的影响。

大容量存储硬盘的发明（巨磁电阻）

法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因发现巨磁电阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖。

巨磁电阻效应相关技术被用于读取硬盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。

光纤的发明

2009年诺贝尔物理学奖授予美籍华人物理学家高锟教授，以表彰他率先以SiO2为原料制成光导纤维，并得到推广应用，为宽带网的发展奠定了基础。

集成电路的发明

Jack Kilby所发明的集成电路使微电子学成为所有现代技术的基础。

2000年，为表彰其在这一领域的突出贡献，诺贝尔奖委员会授予Jack Kilby诺贝尔物理学奖。

（3）约翰·冯·诺依曼奖

约翰·冯·诺依曼奖由IEEE成立于1990年，目的是表扬在计算机科学和技术上具有杰出成就的科学家。该奖项每年颁发一次，每次颁给一位或两位计算机科学家。

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参考书籍

《CCF CSP第一轮认证一本通》

ISBN：978-7-302-58146-8

作者：丁向民

定价：79元

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