电子计算机的发展世代概述

　　电子计算机的发展世代概述

　　吴国发

　　初稿：2022年4月18日

　　修改：2023年7月02日

　　内容提要：从世界第一台电子计算机诞生以来，电子计算机的发展经历了四个世代：第一代，电子管计算机（1939年—1958年）；第二代，晶体管计算机（1958年—1964年）；第三代，集成电路计算机（1964年—1970年）；第四代，大规模集成电路计算机（1971年至今）。至于第五代计算机是什么，尚无定论。

　　关键词：电子计算机 电子管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机

　　笔者有幸见识了电子计算机发展的每一代，并在学习和工作中使用了第二代、第三代和第四代的多种计算机。

　　笔者写作此文，旨在向读者介绍计算机发展的世代更替情况，以及每一个世代的基本硬件和软件。

　　电子计算机的发展世代主要是以硬件核心的质量水平为标准划分的。

　　1939年10月，美国爱阿华大学教授约翰?文森特·阿塔那索夫（John Vincent Atanasoff）发明了世界第一台电子计算机。

　　从世界第一台电子计算机诞生以来，电子计算机的发展经历了四代；目前正在进入第五代。

　　第一代：电子管计算机（1939年—1958年）

　　硬件方面：逻辑元件采用的是真空电子管；主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁心；外存储器采用磁带。

　　软件方面：采用的是机器语言和汇编语言。1954年，第一个高级程序设计语言FORTRAN问世。FORTRAN语言的设计者约翰·巴克斯（John Backus）在1977年获得图灵奖。FORTRAN语言至今仍然是科学技术领域使用最广的计算机程序设计语言。

　　图灵奖是计算机科学技术领域的最高奖励，相当于物理学、化学、生物学/医学领域的诺贝尔奖。图灵奖是以计算机科学的先驱艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912-1954）命名的。

　　第一代计算机的应用领域以军事和科学计算为主。

　　电子管计算机的缺点是体积大，功耗高，可靠性差，速度慢（一般为每秒数千次至数万次），价格昂贵。

　　第一台功能齐全的电子管计算机是ENIAC。

　　1946年2月14日，由美国军方定制的电子计算机“电子数字积分计算器”（Electronic Numerical And Calculator- ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学问世了。ENIAC（埃尼阿克）是为美国奥伯丁武器试验场计算弹道需要而研制的。这台计算器使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺；重达28吨，功耗为170 千瓦。ENIAC的运算速度为每秒5000次的加法运算。ENIAC的造价约为487000美元。

　　下图是ENIAC计算机。

　　

　　第二代：晶体管计算机（1958年—1964年）

　　硬件方面：晶体管作为逻辑器件；磁心(Magnetic Core)作主存储器；磁带、磁鼓、纸带、卡片、卡片穿孔机和卡片阅读机作输入输出设备。

　　软件方面：使用操作系统；除机器语言和汇编语言外，使用高级程序设计语言（FORTRAN、Algol、COBOL等）及其编译程序。Algol 60 语言的设计者彼得·诺尔（Peter Naur）获得2005年度的图灵奖。

　　应用领域：以科学计算和数据（广义的数据，包括英文字母、阿拉伯数字、数学符号等）处理为主，并开始进入工业控制领域。

　　特点是体积缩小，能耗降低，可靠性提高，运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）。

　　第二代计算机的代表性机器是：IBM公司研制的IBM 7094；数字设备公司（Digital Equipment Company-DEC）研制的PDP-1。

　　第三代：集成电路计算机（1964年—1970年）

　　硬件方面：逻辑器件采用集成电路（Integrated Circuit-IC），包括小规模 （Small Scale Integration-SSI）集成电路和中规模（Middle Scale Integration-MSI）集成电路；主存储器仍采用磁心，并逐渐被半导体存储器取代。

　　软件方面：出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法；将计算机程序和文本编辑器使用图形用户界面（Graphical User Interface-GUI）。

　　应用领域：科学技术计算，数据处理，图像处理，信息管理，工业控制。

　　特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化。

　　具有代表性的第三代电子计算机有：IBM公司的32位大型计算机(Mainframe) System360系列；控制数据公司（Control Data Corporation-CDC）的超级计算机(Supercomputer) CDC-6600、CDC-6700。

　　第三代小型机在计算机市场大受欢迎，其代表性机器是：DEC公司的8位小型机PDP-8和16位小型机PDP-11。

　　下图是小型机PDP-8的主机。

　　

　　第四代：大规模集成电路计算机（1971年至今）

　　硬件方面：逻辑器件采用大规模（Large Scale Integration-LSI）集成电路和超大规模（Very Large Scale Integration-VLSI）集成电路；主存储器使用半导体存储器；外存储器有磁鼓、磁盘、光盘、U-盘等。

　　软件方面：使用操作系统UNIX、Windows、Linux等；数据库管理系统（DBMS）dBase、Oracle等；多功能程序设计语言C、C++、Java等；面向对象的程序设计语言；各行各业的应用软件。

　　1971年11月，美国英特尔(Intel)公司研制的世界上第一个微处理器芯片4004在美国硅谷诞生，开创了人类使用微型计算机的新时期。

　　关于微型机发展的世代，我们将另行撰写文章介绍。

　　1976年，克雷(Cray)公司推出世界上第一台运算速度超过每秒1亿次的超级计算机Cray-1。

　　第四代计算机的应用领域：从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭，并且扩展到各个领域、各个行业。

　　1983年，国防科技大学研制成功每秒运算1亿次的银河Ⅰ巨型计算机，与美国的差距是7年。1993年，国防科大研制成功每秒运算10亿次的银河Ⅱ型通用并行巨型计算机。2010年11月，国防科技大学研制“天河一号A”在第36届世界超级计算机TOP 500排行榜上，名列第一。

　　2016年，超级巨型计算机“神威?太湖之光”峰值性能为12.5亿亿次/秒，运算速度世界第一。

　　下图是超级计算机“神威·太湖之光”。

　　

　　2023年5月22日，全球超级计算机评比组织TOP500发布了第61期的超算榜单，美国橡树岭国家实验室的“前沿”（Frontier）名列榜首,其HPL性能超过每秒119亿亿次；第二名，日本“富岳”（Fugaku）；第三名，芬兰“卢米”（LUMI）。中国“神威·太湖之光”位列第七。

　　第五代：巨大规模集成电路计算机，或者具有人工智能的电子计算机

　　什么是第五代电子计算机？计算机界人士有两种观点：

　　其一，有些人沿着按集成电路的集成度划分计算机发展世代的标准，第五代电子计算机是“巨大规模集成电路（Ultra Large Scale Integration-ULSI）”计算机。这样，在硬件方面，第四代计算机与第五代计算机没有明显的分界线。

　　其二，很多人认为，第五代电子计算机是智能计算机，其特点是具有广博的知识、会自动学习、能够思维推理。这样，第四代计算机与第五代计算机的区别主要是在软件方面。而在硬件方面，第四代计算机与第五代计算机根本没有分界线。

　　此外，还有些人提出：第五代计算机是“原子计算机”、“分子计算机”、“量子计算机”、“光子计算机”等。但是，这些计算机都不是电子计算机。

　　所谓“量子计算机”，舆论炒作得很热。什么是量子计算机？其原理是什么？有什么实用价值？当今的计算机科学技术界并无定论。

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