20電子計算機(jī)的產(chǎn)生發(fā)展和應(yīng)用解析

第十九章電子計算機(jī)的產(chǎn)生、進(jìn)展和應(yīng)用序電子計算機(jī)的消逝，不僅對數(shù)學(xué)，而且對科學(xué)技術(shù)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有劃時代的意義?！皩W(xué)問爆炸”也罷，“第三次浪潮”也罷，無一不涉及電子計算機(jī)。因此，電子計算機(jī)科學(xué)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)學(xué)范圍。但由于它的產(chǎn)生、進(jìn)展和應(yīng)用與數(shù)學(xué)聯(lián)系特殊嚴(yán)密，所以在這里專章簡述?！?電子計算機(jī)的誕生１、歷史的回憶任何一種宏大的制造都不是一個早晨突然消逝的。手指，結(jié)繩，刻痕，石塊計算工具：算籌、算盤巴斯卡1642年設(shè)計并制成了世界上第一臺真正的機(jī)械式計算機(jī)——加法器萊布尼茨研制出一臺能進(jìn)展加、減、乘、除運(yùn)算的手搖計算機(jī)；最早提出了二進(jìn)制。巴貝奇〔C.Babbage,1792-1871〕巴貝奇是世界上提出通用程序把握數(shù)字計算機(jī)設(shè)計思想的第一人。巴貝奇在1812年創(chuàng)立“劍橋分析學(xué)會”，對19世紀(jì)英國數(shù)學(xué)的復(fù)興奉獻(xiàn)良多。巴貝奇為研制他所設(shè)計的計算機(jī)付出了后半生的主要精力和財產(chǎn)，甚至不惜辭去榮譽(yù)極高的盧卡斯教授席位。評價巴貝奇的努力，確如曇花一現(xiàn)。他的思想，只是在一百年后才在電子學(xué)興盛的二十世紀(jì)大放異彩。他沒有成功，只是由于他看得更遠(yuǎn)。只有三個人堅信他。他們是1867年中選為統(tǒng)一意大利總理的閔那布利〔F.Menabrea〕,英國著名詩人拜倫的獨生女——拉甫雷斯伯爵夫人，第三個就是巴貝奇的兒子。他制造的光線的精神財寶全部被鎖進(jìn)了歷史博物館。巴貝奇是一位孤獨的先驅(qū)者。艾達(dá)·拜倫〔AdaByron〕即拉甫雷斯夫人，詩人拜倫的獨生女。她是當(dāng)時能理解并支持巴貝奇計算機(jī)設(shè)計思想的少數(shù)人之一。艾倫·拜達(dá)為巴貝奇的“分析機(jī)”編制的某些函數(shù)計算程序，開創(chuàng)了現(xiàn)代程序設(shè)計的先河。2、第一臺電子計算機(jī)產(chǎn)生的背景1847年，英國著名數(shù)學(xué)家布爾創(chuàng)立了規(guī)律代數(shù)，為現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)的設(shè)計和制造奠定了理論根底。特殊在本世紀(jì)以來，電子技術(shù)趨于成熟，電器元件可以作為機(jī)器構(gòu)件來代替齒輪，于是計算機(jī)的新時代開頭了。在其次次世界大戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)斗的迫切需要，火箭、原子能等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正迅猛地進(jìn)展，急需解決一些簡潔的計算問題，而繼電計算機(jī)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能勝任了。于是，電子計算機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生了。圖靈〔A.Turing,1912-1954〕圖靈不僅提出了抱負(fù)計算機(jī)的概念，而且參與了實際的計算機(jī)設(shè)計。他參與研制的“巨人號”〔GOLOSSUS〕專用電子計算機(jī)，在其次次世界大戰(zhàn)中，被用于破譯德軍密碼而立下戰(zhàn)功，圖靈因此榮獲英國最高榮譽(yù)勛章。布爾〔〕英國數(shù)學(xué)家,規(guī)律學(xué)家,生于愛爾蘭的林肯城。曾在中學(xué)教書，并創(chuàng)辦了一所中學(xué)。后獲柏林大學(xué)和牛津大學(xué)的名譽(yù)博士學(xué)位。1857年被選為英國皇家學(xué)會會員，并獲皇家獎?wù)?。布爾對?shù)學(xué)的奉獻(xiàn)很大，并是數(shù)理規(guī)律的創(chuàng)始人之一。對概率論、拓?fù)鋵W(xué)、把握系統(tǒng)等也取得了很大成果。馮·諾依曼與第一臺通用程序把握電子計算機(jī)ENIAC第一臺電子計算機(jī)世界上第一臺電子計算機(jī)是在1943年，由美國賓夕法尼亞大學(xué)總工程師?？颂睾臀锢韺W(xué)家莫希萊提出報告，在數(shù)學(xué)家馮·諾依曼的幫助下，于1945年底研制完畢，1946年2月15日第一次公開表演，宣告正式運(yùn)行。這臺電子計算機(jī)“電子數(shù)值積分和自動計算機(jī)”，簡稱ENIAC。ENIAC占地170平方米，重30噸，擁有18000個電子管，每小時耗電150千瓦，費(fèi)用48萬美圓，運(yùn)算速度為每秒5000次。存在有不能令人滿足的地方，但它究竟是計算工具革命性進(jìn)展的開頭，從而開拓了電子計算機(jī)的新紀(jì)元?！?電子計算機(jī)的快速進(jìn)展電子計算機(jī)從誕生至今，僅有60余年，但它的進(jìn)展日新月異，現(xiàn)已更新了四代。目前，一些先進(jìn)國家已著手進(jìn)展第五代高智能化的電子計算機(jī)的爭論。第一代是電子管時代〔1946—1956〕。第一代是電子管時代〔1946—1956〕。這一代計算機(jī)所承受的電子元件根本上是電子管。其二進(jìn)制程序貯存等根本技術(shù)思想，奠定了現(xiàn)代電子計算機(jī)的技術(shù)根底。由于這一代計算機(jī)的造價高，數(shù)量少，應(yīng)用范圍局限于與軍事有關(guān)的科研計算其次代晶體管時代〔1956—1962〕。其次代晶體管時代〔1956—1962〕。這一代計算機(jī)的規(guī)律元件和規(guī)律線路均承受分立的晶體管元件。第三代是中小規(guī)模集成電路時代〔1962—1972〕。第三代是中小規(guī)模集成電路時代〔1962—1972〕。人們把多個晶體管、電阻器等元件集合為一個整體，做在一個很薄的硅片上，而制成門電路、觸發(fā)器等具有確定規(guī)律功能的電路器件，這就是所謂中小規(guī)模集成電路。第四代是大規(guī)模集成電路時代〔1970至今〕。第四代是大規(guī)模集成電路時代〔1970至今〕。一般來說，在一塊硅片上集成100個門電路以上或上千個晶體管元件以上的集成電路叫做大規(guī)模集成電路。第五代人工智能計算機(jī)現(xiàn)在，人們競相研制的第五代人工智能計算機(jī)是超大規(guī)模集成電路計算機(jī)，其集成程度超過10000個門或由達(dá)100000個元件的集成電路組成的電子計算機(jī)，將突破傳統(tǒng)的馮·諾依曼的設(shè)計思想和傳統(tǒng)的技術(shù)束縛，而承受與人腦思維并行處理方式相接近的工作方式。它將具有推理—學(xué)習(xí)—聯(lián)想的力氣。我國計算機(jī)的進(jìn)展歷程簡介1958年，中科院計算所研制成功我國第一臺小型電子管通用計算機(jī)103機(jī)(八一型),標(biāo)志著我國第一臺電子計算機(jī)的誕生；1965年，中科院計算所研制成功第一臺大型晶體管計算機(jī)109乙，之后推出109丙機(jī)，該機(jī)為兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用；1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計、研制成功承受集成電路的DJS-130小型計算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒100萬次；1983年，國防科技大學(xué)研制成功運(yùn)算速度每秒上億次的銀河-I巨型機(jī)，這是我國高速計算機(jī)研制的一個重要里程1985年，電子工業(yè)部計算機(jī)治理局研制成功與IBMPC機(jī)兼容的長城0520CH微機(jī)；1992年，國防科技大學(xué)爭論出銀河-II通用并行巨型機(jī)，峰值速度達(dá)每秒4億次浮點運(yùn)算(相當(dāng)于每秒10億次根本運(yùn)算操作)，為共享主存儲器的四處理機(jī)向量機(jī)，其向量中心處理機(jī)是承受中小規(guī)模集成電路自行設(shè)計的，總體上到達(dá)80年月中后期國際先進(jìn)水平。它主要用于中期天氣預(yù)報；1993年，國家智能計算機(jī)爭論開發(fā)中心〔后成立北京市曙光計算機(jī)公司〕研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機(jī)，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標(biāo)準(zhǔn)UNIX操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的并行計算機(jī)；1995年，曙光公司又推出了國內(nèi)第一臺具有大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)構(gòu)造的并行機(jī)曙光1000(含36個處理機(jī))，峰值速度每秒25億次浮點運(yùn)算，實際運(yùn)算速度上了每秒10億次浮點運(yùn)算這一高性能臺階。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機(jī)體系構(gòu)造與實現(xiàn)技術(shù)相近，與國外的差距縮小到5年左右；1997年，國防科大研制成功銀河-III百億次并行巨型計算機(jī)系統(tǒng)，承受可擴(kuò)展分布共享存儲并行處理體系構(gòu)造，由130多個處理結(jié)點組成，峰值性能為每秒130億次浮點運(yùn)算，系統(tǒng)綜合技術(shù)到達(dá)90年月中期國際先進(jìn)水平；1997至1999年，曙光公司先后在市場上推出具有機(jī)群構(gòu)造(Cluster)的曙光1000A，曙光2023-I，曙光2023-II超級效勞器，峰值計算速度已突破每秒1000億次浮點運(yùn)算，機(jī)器規(guī)模已超過160個處理機(jī)；1999年，國家并行計算機(jī)工程技術(shù)爭論中心研制的神威I計算機(jī)通過了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運(yùn)行。系統(tǒng)有384個運(yùn)算處理單元，峰值運(yùn)算速度達(dá)每秒3840億次；2023年，曙光公司推出每秒3000億次浮點運(yùn)算的曙光3000超級效勞器；2023年，中科院計算所研制成功我國第一款通用CPU——“龍芯”芯片；2023年，曙光公司推出完全自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的“龍騰”效勞器，龍騰效勞器承受了“龍芯-1”CPU，承受了曙光公司和中科院計算所聯(lián)合研發(fā)的效勞器專用主板，承受曙光LINUX操作系統(tǒng)，該效勞器是國內(nèi)第一臺完全實現(xiàn)自有產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，在國防、安全等部門將發(fā)揮重大作用；2023年，百萬億次數(shù)據(jù)處理超級效勞器曙光4000L通過國家驗收，再一次刷新國產(chǎn)超級效勞器的歷史紀(jì)錄，使得國產(chǎn)高性能產(chǎn)業(yè)再上新臺階?！?電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用到目前為止，特殊是在21世紀(jì)的信息社會，電子計算機(jī)已經(jīng)全面應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、交通、運(yùn)輸、文化教育、科學(xué)爭論和國防建設(shè)等各個領(lǐng)域。電子計算機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代社會的每一項活動。一般認(rèn)為，計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：1、科學(xué)計算(或數(shù)值計算)

科學(xué)計算是指利用計算機(jī)來完成科學(xué)爭論和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計算。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)工作中，科學(xué)計算問題是大量的和簡潔的。利用計算機(jī)的高速計算、大存儲容量和連續(xù)運(yùn)算的力氣，可以實現(xiàn)人工無法解決的各種科學(xué)計算問題。

例如，建筑設(shè)計中為了確定構(gòu)件尺寸，通過彈性力學(xué)導(dǎo)出一系列簡潔方程，長期以來由于計算方法跟不上而始終無法求解。而計算機(jī)不但能求解這類方程，并且引起彈性理論上的一次突破，消逝了有限單元法。應(yīng)用數(shù)學(xué)純粹數(shù)學(xué)2、數(shù)據(jù)處理(或信息處理)

數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進(jìn)展收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，80％以上的計算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，準(zhǔn)備了計算機(jī)應(yīng)用的主導(dǎo)方向。

數(shù)據(jù)處理從簡潔到簡潔已經(jīng)受了三個進(jìn)展階段，它們是：

①電子數(shù)據(jù)處理(ElectronicDataProcessing,簡稱EDP),它是以文件系統(tǒng)為手段，實現(xiàn)一個部門內(nèi)的單項治理。②治理信息系統(tǒng)(ManagementInformationSystem,簡稱MIS),它是以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為工具，實現(xiàn)一個部門的全面治理，以提高工作效率。

③決策支持系統(tǒng)(DecisionSupportSystem,簡稱DSS),它是以數(shù)據(jù)庫、模型庫和方法庫為根底，幫助治理決策者提高決策水平，改善運(yùn)營策略的正確性與有效性。

目前，數(shù)據(jù)處理已廣泛地應(yīng)用于辦公自動化、企事業(yè)計算機(jī)幫助治理與決策、情報檢索、圖書治理、電影電視動畫設(shè)計、會計電算化等等各行各業(yè)。信息正在形成獨立的產(chǎn)業(yè)，多媒體技術(shù)使信息呈現(xiàn)在人們面前的不僅是數(shù)字和文字，也有聲情并茂的聲音和圖像信息。3、幫助技術(shù)(或計算機(jī)幫助設(shè)計與制造)

計算機(jī)幫助技術(shù)包括CAD、CAM和CAI等。

⑴計算機(jī)幫助設(shè)計(ComputerAidedDesign,簡稱CAD)

⑵計算機(jī)幫助制造(ComputerAidedManufacturing,簡稱CAM)

⑶計算機(jī)幫助教學(xué)(ComputerAidedInstruction,簡稱CAI)

計算機(jī)幫助教學(xué)是利用計算機(jī)系統(tǒng)使用課件來進(jìn)展教學(xué)。課件可以用著作工具或高級語言來開發(fā)制作，它能引導(dǎo)學(xué)生循環(huán)漸進(jìn)地學(xué)習(xí)，使學(xué)生輕松自如地從課件中學(xué)到所需要的學(xué)問。CAI的主要特色是交互教育、個別指導(dǎo)和因人施教。4、過程把握(或?qū)崟r把握)

過程把握是利用計算機(jī)準(zhǔn)時采集檢測數(shù)據(jù)，按最優(yōu)值快速地對把握對象進(jìn)展自動調(diào)整或自動把握。承受計算機(jī)進(jìn)展過程把握，不僅可以大大提高把握的自動化水平，而且可以提高把握的準(zhǔn)時性和準(zhǔn)確性，從而改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。因此，計算機(jī)過程把握已在機(jī)械、冶金、石油、化工、紡織、水電、航天等部門得到廣泛的應(yīng)用。

例如，在汽車工業(yè)方面，利用計算機(jī)把握機(jī)床、把握整個裝配流水線，不僅可以實現(xiàn)精度要求高、外形簡潔的零件加工自動化，而且可以使整個車間或工廠實現(xiàn)自動化。5、人工智能(或智能模擬)

人工智能(ArtificialIntelligence)是計算機(jī)模擬人類的智能活動，諸如感知、推斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解和圖像識別等?，F(xiàn)在人工智能的爭論已取得不少成果，有些已開頭走向有用階段。例如，能模擬高水平醫(yī)學(xué)專家進(jìn)展疾病診療的專家系統(tǒng)，具有確定思維力氣的智能機(jī)器人等等。6、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

計算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的建立，不僅解決了一個單位、一個地區(qū)、一個國家中計算機(jī)與計算機(jī)之間的通訊，各種軟、硬件資源的共享，也大大促進(jìn)了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數(shù)據(jù)的傳輸與處理。兩個典型代表一、機(jī)器人的研制：高度自動化的標(biāo)志機(jī)器人的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開頭。大致經(jīng)受了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡潔個體機(jī)器人，其次代為群體勞動機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人。第一代機(jī)器人第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型。英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教把握盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個動作。其次代機(jī)器人其次代是有感覺的機(jī)器人：它們對外界環(huán)境有確定感知力氣，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。機(jī)器人工作時，依據(jù)感覺器官〔傳感器〕獲得的信息，靈敏調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的狀況下完成工作。第三代機(jī)器人第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺力氣，而且還具有獨立推斷和行動的力氣，并具有記憶、推理和決策的力氣，因而能夠完成更加簡潔的動作。進(jìn)展趨勢1.機(jī)器人會越來越小

目前各國的爭論現(xiàn)狀而言，說明微型機(jī)器人大多還處于試驗室或原型開發(fā)階段，但可以預(yù)見，將來微型機(jī)器人將廣泛消逝。

由德國工程師萊納爾·格茨恩制造的微型機(jī)器人，可直接由針頭注射進(jìn)入人體血管、尿道、膽囊或腎臟。它依靠微型磁鐵驅(qū)動器前進(jìn)，由醫(yī)生通過遙控器指揮，既可用于疾病診斷，也可用于如動脈硬化、膽結(jié)石等管腔堵塞類疾病治療。還能聽從醫(yī)生指揮，將藥物直接送到達(dá)需要醫(yī)治的患病器官，以取得更好的治療效果。當(dāng)這種微型機(jī)器人工作完成后，醫(yī)生便可以像抽血那樣用針頭將它抽出來。

將來，將會有可以進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)的功能齊全的醫(yī)用微型機(jī)器人，能進(jìn)入工業(yè)上的小管道甚或裂縫，進(jìn)展檢測與維護(hù)的工業(yè)用微型機(jī)器人，以及各種微型傳感器、微型機(jī)電產(chǎn)品，如掌上電視等。在軍事上，將有小如昆蟲的飛行器，用于偵察敵情；裝有自動駕駛系統(tǒng)，能在海底航行數(shù)年的微型潛艇……〔納米人〕2.機(jī)器人會越來越聰明

現(xiàn)在的智能機(jī)器人，它的智力最高也只相當(dāng)于兩三歲幼兒的智力水平。在將來，高智能的機(jī)器人將越來越多，其智力水平也確定會不斷提高，漸漸地到達(dá)七八歲、十幾歲少年甚至青年人的智力水平。

20世紀(jì)90年月后期，為促進(jìn)智能機(jī)器人的進(jìn)展，日本、韓國等國家相繼發(fā)起進(jìn)展機(jī)器人足球世界杯賽，并成立了相應(yīng)的協(xié)會。機(jī)器人足球賽涉及多機(jī)器人的動作協(xié)調(diào)、系統(tǒng)把握等前沿的課題?？梢哉f，每一場機(jī)器人足球賽實際上都是世界各國機(jī)器人進(jìn)展水平的一場競賽。

或許在將來的某一天，就猶如1996年世界國際象棋冠軍卡斯帕羅夫輸給了計算機(jī)“深藍(lán)”一樣，我們會看到世界頂尖級的球員組成的“超級聯(lián)隊”也應(yīng)付不了的機(jī)器人球隊，你信任嗎？二、數(shù)學(xué)定理的機(jī)器證明〔一〕四色猜測的證明四色問題猜測〔英國古色里，1852年〕：對平面或球面上的任意一個地圖著色，至多用四種顏色就可以使相鄰〔即有一段公共邊界而不是一點或有限點〕兩個國家或地區(qū)〔這里所謂的“國家”或地區(qū)是指連通的區(qū)域〕的顏色不同。利用三部計算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了一千多個小時，分析了兩千多個構(gòu)形的可約性，并通過人工分析了約一萬個帶正電頂點的鄰近區(qū)域，最終用不行避開組的證法證明白四色問題。在證明過程中，放電過程經(jīng)過500屢次的修改設(shè)計，計算機(jī)檢驗了2023多個構(gòu)形并證明白1482個構(gòu)形的可約性。四色猜測的“機(jī)器證明”是否真的牢靠－－方法、理念的沖突為實現(xiàn)幾何定理的機(jī)器證明，一般承受代數(shù)的方法，它需要解決以下幾個問題：首先，引進(jìn)數(shù)式與坐標(biāo)系，使任何幾何定理的條件和結(jié)論都寫成代數(shù)式，從而幾何證明成為純代數(shù)問題。其次，將定理假設(shè)局部的代數(shù)關(guān)系式進(jìn)展整理，第三，依確定的步驟，驗證定理結(jié)論局部的代數(shù)式可由假設(shè)局部的代數(shù)式推出。最終，按上述步驟編寫程序，并在計算機(jī)上實現(xiàn)。〔二〕機(jī)器證明與“吳法”