20世纪计算机学发展的历史回顾

计算机科学前沿简介>>20世纪计算机学发展的历史回顾第十三讲计算机科学前沿简介本讲学习指导：

计算机科学与技术在信息时代的人类社会中占有重要地位。计算机已经深入的渗透到国民经济的各个行业。李国杰院士作为我国863自动化领域高性能服务器研究专家，一直领导着曙光系列服务器的研究开发工作。李国杰院士向我们介绍了计算机科学发展的背景、现状与趋势，以及曙光服务器研究状况。

一、20世纪计算机学发展的历史回顾

记者：我们知道，与其他自然科学相比，计算机科学是一门年轻的科学。她诞生于二十世纪中叶，并在二十世纪得到了其他学科无法比拟地飞速发展。首先我们想请您回顾一下计算机科学在二十世纪的发展状况及重大成就。李国杰院士：应该说计算机学科诞生于二十世纪三十年代，在这个时期有一批才华横溢的青年科学家奋斗在这个崭新的科学领域，他们中的杰出人物如、等后来都成为计算机科学的奠基人。经过他们的不懈努力，计算机科学的基本理论在二十世纪三、四十年代已基本形成了。人们常把今天的计算机称为冯·诺依曼计算机，这是因为他最先提出"程序存储"的光辉思想，即把计算程序也用数字方式存储在计算机中，使得一台计算机能做各种不同的事。"程序存储"概念是通用计算机的灵魂。但是目前被世人公认的第一台电子数字计算机并没有程序存储功能，世界上第一台通用的程序存储式计算机EDSAC是1949年在英国剑桥大学研制成功的。本世纪五十年代，晶体管的出现，促进了计算机硬件技术的发展。本质上讲，晶体管的发明与改进得益于20世纪初提出的，只有在量子理论基础上才能发展固体物理、半导体材料理论，从而促进技术的不断发展。晶体管的主要发明人肖克利就是麻省理工学院的固体物理学博士；而另一位发明人巴丁曾同时在伊利诺依大学物理系和电机系当教授。1947年发明锗晶体管以后，又经过6-7年努力突破了从随处可得的沙砾中提炼半导体材料硅单晶的技术，晶体管的应用才开始普及。最初晶体管和电视等其他元件都是零散地放在电路板上，通过导线连成电路。直到1952年英国的首先提出集成电路的设计思想，美国德州仪器公司擅长电路设计的基尔比工程师1958年9月将5个元件（其中四个晶体管）做在一块厘米长的锗单晶片上，实现了人类第一块集成电路。1962年商品化的集成电路问世。集成电路的出现使计算机向微型，高速，低功耗的方向发展成为现实。根据功能与工作机理不同，集成电路（IC）可分为数字逻辑IC、模拟IC和数字模拟混合IC。数字逻辑IC是以为基础进行数字计算与逻辑运算的集成电路，由各种门电路与记忆元件组成，大多数集成电路如微处理器、存储器芯片等都属于这一类。模拟集成电路处理的信息是连续变化的物理量，如电压、电流、温度等。数模混合集成电路既包含数字电路又包含模拟电路。过去几十年里通信和广播电视主要采用模拟器件，由模拟向数字化发展是信息技术的重要趋势。信息只有数字化以后才能充分发挥微电子技术的巨大潜力。数字集成电路多数由门电路组成，因此集成电路的规模可按一片集成电路包含的门电路数目（即集成度）分类。集成电路按集成度可分为六大类：小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、特大规模集成电路（ULSI）和巨大规模集成电路（GLSI）。到七十、八十年代微处理器的发明促进了个人计算机的出现，使计算机逐渐地走进了千家万户。九十年代，因特网的出现，将世界各地的计算机连成网络，使信息交流更为方便，快捷，从而极大地改变了人们的生活方式。由单个晶体管到集成电路到微处理器到个人计算机、网络，这就是计算机发展的基本脉络。现在计算机已到了普及的程度，但总的说来，计算机的基本理论没有重大的变化，四十年代的图灵机，冯·诺依曼计算机的基本理论到现在还是适用的。例如程序的顺序存储，二进制编码等理论依然是计算机科学的理论基础。图１冯·诺依曼及其计算机图2图灵图3晶体管的结构图解图4一个很小的盐颗粒损毁了一个微芯片上的成千个晶体管二、未来计算机科学发展的趋势与难点、问题记者：计算机科学从诞生的那一天起就和其他的学科有着密不可分的关系，它有力地促进其他学科的发展，同时也使自己迅速成长。在您看来，未来的计算机科学的发展趋势如何，它与其他学科之间的关系是否会愈来愈紧密？李国杰院士：我在看待计算机科学发展趋势时，通常是把它分为三维考虑。一维是是向"高"的方向。性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。像前几年我们使用的都是286、386、主频只有几十兆。90年代初，集成电路集成度已达到100万门以上，从VLSI开始进入ULSI，即特大规模集成电路时期。而且由于的成熟与普及，CPU性能年增长率由80年代的35%发展到90年代的60%。到后来出现奔腾系列，到现在已出现了奔腾4微处理器，主频达到2GHz以上。而且计算机向高的方面发展不仅是芯片频率的提高，而且是计算机整体性能的提高。一个计算机中可能不只用一个处理器，而是用几百个几千个处理器，这就是所谓并行处理。也就是说提高计算机的性能有两个途径：一是提高器件速度，二是并行处理。与前所述，器件速度通过发明新器件（如量子器件等），采用、片上系统等技术还可以提高几个数量级。以大规模并行为标志的体系结构的创新与进步是提高计算机系统性能的另一重要途径。目前世界上性能最高的通用计算机已采用上万台计算机并行，美国的ASCI计划已经完成每秒12。3万亿次并行机。目前正在研制30万亿次和100万亿次并行计算机。美国另一项计划的目标是2010年左右推出每秒一千万亿次并行计算机（Petaflops计算机），其处理机将采用超导量子器件，每个处理机每秒100亿次，共用10万个处理机并行。专用计算机的并行程度比通用机更高。IBM公司正在研制一台用于计算蛋白质折叠结构的专用计算机，称做兰色基因（BlueGene）计算机，一块芯片中就包括32个处理机，峰值速度达每秒一千万亿次，计划2004年实现。将几千几万台计算机连结起来构成一台并行机，就如同组织成千上万工人生产一个产品一样，决不是一件容易的事。并行计算机的关键技术是如何高效率地把大量计算机互相连接起来，即各处理机之间的高速通信，以及如何有效地管理成千上万台计算机使之协调工作，这就是并行计算机的系统软件---操作系统的功能。如何处理高性能与通用性以及应用软件可移植性的矛盾也是研制并行计算机必须面对的技术选择，也是计算机科学发展的重大课题。另一个方向就是向“广”度方向发展，计算机发展的趋势就是无处不在，以至于像“没有计算机一样”。近年来更明显的趋势是网络化与向各个领域的渗透，即在广度上的发展开拓。国外称这种趋势为普适计算（PervasiveComputing）或叫无处不在的计算。举个例子，问你家里有多少马达，谁也说不清。洗衣机里有，电冰箱里有，录音机里也有，几乎无处不在，我们谁也不会去统计它。未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中。那时问你家里有多少计算机，你也数不清。你的笔记本，书籍都已电子化。包括未来的中小学教材，再过十几、二十几年，可能学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，所有的中小学的课程教材，辅导书，练习题都在里面。不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料。而且这些计算机与现在的手机合为一体，随时随地都可以上网，相互交流信息。所以有人预言未来计算机可能像纸张一样便宜，可以一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。第三个方向是向"深"度方向发展，即向信息的智能化发展。网上有大量的信息，怎样把这些浩如烟海的东西变成你想要的知识，这是计算科学的重要课题，同时人机界面更加友好。未来你可以用你的自然语言与计算机打交道，也可以用手写的文字打交道，甚至可以用你的表情、手势来与计算机沟通，使人机交流更加方便快捷。电子计算机从诞生起就致力于模拟人类思维，希望计算机越来越聪明，不仅能做一些复杂的事情，而且能做一些需“智慧”才能做的事，比如推理、学习、联想等。自从1956年提出“”以来，计算机在智能化方向迈进的步伐不尽人意。科学家多次关于人工智能的预期目标都没有实现，这说明探索人类智能的本质是一件十分艰巨的任务。目前计算机"思维"的方式与人类思维方式有很大区别，人机之间的间隔还不小。人类还很难以自然的方式，如语言、手势、表情与计算机打交道，计算机难用已成为阻碍计算机进一步普及的巨大障碍。随着nternet的普及，普通老百姓使用计算机的需求日益增长，这种强烈需求将大大促进计算机智能化方向的研究。近几年来计算机识别文字（包括印刷体、手写体）和口语的技术已有较大提高，已初步达到商品化水平，估计5-10年内手写和口语输入将逐步成为主流的输入方式。手势（特别是哑语手势）和脸部表情识别也已取得较大进展。使人沉浸在计算机世界的虚拟现实（VirtualReality）技术是近几年来发展较快的技术，21世纪将更加迅速的发展。图１纳米级的DNA计算机

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我国纳米电子学应用研究取得新进展

图3Intel公司生产的奔腾第四代CPU图4AMD公司生产的Duron系列CPU图5威盛公司生产的系列CPU说到计算机科学同其他学科的关系，我认为有几个学科和计算机科学的发展关系很密切。从技术的角度说，通信技术与计算机科学是密不可分的，实际上，通信技术中的很多设备就是一台专用的计算机。另外是各种工业制造中也离不开计算机。例如，将来的汽车、飞机中的大量部件都是计算机构成的。未来一部汽车主要的成本可能不是车身、轮子、发动机，而是其中的微处理器芯片和软件。从科学的角度说，我认为计算机科学与生物学的关系会越来越密切。科学的发展的一般规律是每隔四五十年就会有新的技术出现，来拉动其他学科的发展。最近二三十年是以是以微电子、信息技术为标志的科技浪潮。这一段时期预计到2020年基本结束。下一次科技浪潮将是以生物技术为标志的科学的飞跃。而与以生物信息学为代表的生物与计算机科学的交叉学科正在蓬勃地兴起。例如用信息学的理论和方法去研究生命科学，未来可能会有很多学计算机的人去从事生物信息学的研究，这是未来研究的一大热点。

从另外一方面来说，其他学科反过来也会促进计算机科学的发展。目前计算机用的几乎都是半导体集成电路，但现在人们也在努力研究基于其他材料的计算机，如超导计算机，光学计算机，生物计算机等，比如我们常听到的生物芯片技术。但目前的生物芯片还只是作测试用，还不能够用来计算。虽然这些技术现在还都不成熟，与实际应用有很大的差距，但可以预计这些技术的发展必将使计算机科学的前景更加美好。记者：网络的出现极大地改变了我们的生活，也使得计算机技术走进了千家万户。它的发展前景十分美好。但是我们知道，在科学研究中经常会遇到意想不到的困难。您认为当前计算机科学发展遇到的主要困难什么？李国杰院士：当前计算机科学的主要问题有三方面。首先是复杂性的问题。计算机科学的实质是动态的复杂性问题。一个芯片的晶体管有上亿甚至几十亿个，这个数目已和大脑里的神经元的数目一样多，如何保证这样一个复杂的系统能够正常的工作而不出现错误，这已不止是一般的测量能够解决的问题了。另外一个问题就是功耗。当前功耗似乎不是什么问题或者说不是重要问题，但再过十几年它就会变得十分重要。根据，大约每隔一年半，芯片的性能翻一翻,但是性能翻一翻可能会造成功耗也翻一翻。功耗越大,放热越多。现在一个芯片可能放热一两百瓦,还可以用风扇来散热,但再翻一翻几百瓦,相当于一个电炉了。这时的散热就十分困难了。所以,如何在提高性能的同时不增大功耗甚至减小功耗是当前计算机科学发展的重大问题。功耗问题极为复杂,由于集成电路的微型化,将来的工艺达到微米以下,每一层芯片只有几个原子,这时的单位面积上的热量已经极高了。所以在计算机科学发展的早期就有一位著名的科学家说过计算机科学是制冷的科学。最后一个问题是智能化的问题。现在网上有很多信息,如何让计算机把这些信息变成你所需要的知识。这是一件很难的事情。这不是说简单的我点一个网站,里面能搜索到与我输入的字符匹配的内容，而是说计算机要将收集到的知识系统化。比如,你想找一个人,你问计算机："拉登是什么人？"未来的计算机有这个能力,它能在千千万万的网页中找到与拉登是什么人相关的内容,组织一篇文章来告诉你答案。再如,你想知道什么是纳米技术,你就可以问计算机什么是纳米技术,计算机就会为你搜索网页,找到你所需要的答案。三、个人研究领域记者：作为我国著名的计算机科学专家，您一直奋斗在科研的第一线。您能否为我们简单介绍一下您的研究领域?李国杰院士：我自从87年从国外回来后，在国家智能计算机研究开发中心从事高性能计算机的研究工作。从92年起，我们研究开发曙光系列高性能计算机，93年“曙光一号”对称式多处理机问世。之后，陆续研制成功了曙光1000、曙光2000和曙光3000，一代比一代的性能强，曙光3000超级服务器，包含70个节点共280个处理机，峰值速度达每秒4000亿次浮点运算以上（400Gflops）。我们现在正在开发的是曙光4000系列高性能计算机。我们研究的特点是我们的研究成果都要产业化。现在很多公司和学校都已经采用了我们的曙光系列服务器。我们计算所的另一方面的工作是研究计算机硬件的核心技术，也就是CPU芯片。多年来我们国家在微处理器芯片技术上几乎是空白，我们的工作就是要攻克CPU芯片的核心技术。我们今年已经推出了叫"龙芯"（Godson）的CPU验证芯片，标志着我国具了国际先进水平通用CPU的设计能力。GodsonCPU执行250多条指令，可运行通用的主流操作系统Linux最新版本内核（版）、X-Window和商品化Web服务器软件，在国内率先通过了SPECCPU2000和有关标准的严格测试。GodsonCPU具有高性能的64位浮点流水线，采用了当代通用CPU先进体系结构的主要设计技术。计算所计划2002年投片试制与生产，有望获得商品化的PentiumII水平的通用CPU芯片，2003年有望研制成功奔腾4水平的CPU芯片。我们的奋斗目标时为我国信息产业提供具有自主知识产权的CPU芯片。我们还有一些同志在研究具有重要意义的IPv6课题。计算机要通过因特网交流信息，都要有一个IP地址，相当于这台计算机的通信地址，目前这种地址叫做协议叫IPv4，是由32位二进制数构成的。我们知道因特网是美国人发明的，他们一个大学（比如MIT）的IP地址就比我们一个国家的还多。而我们国家人口众多，随着经济的发展未来的计算机用户会不断增多，可能有一天你有了计算机却无法上网，因为已经没有IP地址可用。我们这些同志在攻克的IPv6课题就是要解决这个问题。IPv6的地址由128位二进制数构成，可以说这种地址资源是取之不尽，用之不竭了。这个课题研究具有极其重要的意义。 图１曙光3000超级服务器系统，峰值浮点运算速度为每秒4032亿次,部分达到国际领先水平

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美国电气电子工程师学会

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ISO：国际标准化组织四、对中小学教师的建议与期望记者：我们通过调查了解到当前中小学教师迫切地希望提高自己的计算机科学水平,并希望把计算机应用到自己的教学实践中.您认为如何使计算机在青少年培养方面发挥更大的作用？李国杰院士：我觉得重要的是培养学生懂得用计算机解决问题的意识，当然中小学生不可能解决很复杂的问题，但是作为一个现代社会的人，他应该具有这个意识，学会这个方法来把一个问题用计算机语言表述出来，并帮助他解决。另外，计算机科学中十分注重的一个问题是算法，所谓算法简单地说就是在计算机上解决某种问题的方法。我们在教学中讲授了一些算法，但对“算法是软件的核心”这个问题强调不够。每年的计算机奥林匹克竞赛中都涉及到许多算法问题，通过算法的教学就能够培养学生用计算机解决问题的意识，这是一种思维的方式。这种锻炼无论他是否从事计算机科学方面的工作，对于他都是有很大好处的。说到中小学计算机的教学方法，我觉得应该首先使计算机教材能够引人入胜，不只是一些编程的方法和技巧，而应该包含一些计算机科学的发展史，让孩子们知道计算机是如何出现的，经历了怎样的发展历程，从而能够培养孩子的创新精神，使他们敢于创新，敢于创造。如果一开始就强调编程的方法和技巧的话，会很容易是他们产生厌倦的情绪，讨厌计算机，甚至对计算机产生恐惧感，这就和我们的教学目的背道而驰了。记者：李院士，在采访的最后，我们想请您对我国的广大的中小学教师提一些希望和要求？李国杰院士：我前面也提到，计算机科学是一种逻辑性很强的科学，它跟数学，逻辑学的关系十分密切。所以计算机科学有许多启发人们灵感的地方。对于中小学教师来说，我认为除了要通过计算机的教学来培养学生的逻辑思维以外，更重要的是培养学生对计算机的兴趣。人们常说"兴趣是最好的老师"，孩子对计算机有了兴趣，学计算机用计算机的意识就会自然的形成。这里我讲一个我自己的小故事来作为这次采访的结尾。我在读初中的时候，读到了一本讲逻辑的书，里面讲了一个故事，讲古代埃及的时候有一个国王，性情十分残暴，他每天晚上都叫一个人要他讲一句话，他说如果他讲的是真话，那他就会被绞死，如果他讲的是假话的话，他就会被杀死。我当时想那没有一个人能够逃脱了。但是看下去，居然有一个人逃脱了。我百思不得其解，原来他讲“我是被杀死的”。那么如果他被杀死，那么他讲的就是真话，应该被绞死；如果他被绞死，那么他讲的就是假话，应该被杀死。于是国王对他无可奈何，又不能食言，所以只好把他放了。我当时受的触动很大，于是对数理逻辑产生了很大的兴趣。我一开始并没有学计算机，但是无论在北大学物理还是在工作时都对数理逻辑抱有浓厚的兴趣，直到后来到美国学计算机科学，最终实现了我的理想。我讲这个故事主要是想说明儿童时代对科学的兴趣很可能决定一个人一生的奋斗方向。而中小学教师起的正是引导学生兴趣的作用。我希望中小学教师能在培养学生对科学的兴趣上发挥更大的作用。未来计算机四大看点

（北星09:07:22本文选自：《中国计算机报》）

十年后的计算将会以什么样的形态存在？和今天一样，端端正正坐在电脑桌面前，拨号或者用宽带上网，抓着拖尾巴的鼠标，老老实实打开操作系统，按部就班启动……如果还抱着这种观念，那么你已经落伍啦，未来计算绝非你所想象。

你想过上网就像打手机一样方便么？不管你在喧嚣都市还是在僻静乡野高山大川，只要打开笔记本、平板PC或者任何相关的掌上设备便能够以极高的速度进行冲浪，你无需使用各种介质的麻烦网线。OK，这就是Wi-Fi技术；在野外，我们的计算设备要想工作必须借助于电池，想过让笔记本的电池时间超过10小时么？别急，未来的迅驰技术与燃料电池技术将提供高性能之下的真正便携。我们日常所用的显示器都只强调显示功能，未来，智能化技术将让它学会察言观色、根据不同情况进行自动调整，给你最舒适的视觉体验。嗯，显示器有了，那么主机呢？还是硕大无比样子丑陋的机箱？NO，如果你看了微软的Athens概念机，未来的电脑会让你爱得死心塌地。如果你觉得样子次要，那么可靠性重要吧？相信大家都有过重装系统病毒袭击数据丢失之类的麻烦，可靠计算将让它成为历史。

看点一Wi－Fi无线互联

Wi-Fi是基于的无线网络接入技术，它使用频段，将提供11Mbps的高速互联网接入，这种接入方式是以无线的方式存在的，比如说，在机场，在咖啡屋，在酒吧，在图书馆，甚至在路上，只要打开电脑，我们便能够通过Wi-Fi尽情上网冲浪。简言之，你可以像使用手机那样上网——这个时候，“上网”这个词汇恐怕会进入古董堆了吧？！不能Wi-Fi上网的电脑，就好像不能连接GSM/CDMA网络的手机一样呆头呆脑。

目前，Wi-Fi仍处于起步阶段，在日本、欧美地区较为流行，但流行的场所也仅限于机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方，离无处不在的Wi-Fi还有一段相当的距离。而国内的Wi-Fi建设仍处于概念阶段，只有很少数的五星级宾馆、豪华酒店中提供Wi-Fi服务，价格自然高得惊人！这种现状并不会一直持续下去，随着移动设备的大量增加，尤其是笔记本电脑的快速普及，人们的无线上网需求将愈来愈迫切，而这正是Wi-Fi大显身手的时刻，用户数量增加，平均费用自然降低。

看点二高性能移动计算

按照常识，现在的笔记本电脑如果不接电源的话只能用上短短2～3个钟头，显然，这个问题若不解决，即便未来Wi-Fi系统组建完毕，而人们也只能在外面使用2～3个小时，花费巨资建设Wi-Fi将会变得毫无意义。电池时间短促主要有两方面的原因：第一，随着部件工作频率的提升，笔记本电脑的功耗也一直在提高，电池时间难以得到延长；第二，锂电池技术发展空间有限，难以在小体积的条件下提供更大的容量。今天，人们已着手开始解决这两大问题：Intel推出的Centrino平台便是以低功耗作为第一诉求，而燃料电池的出现让我们看到高容量电池的曙光。

燃料电池由来已久，它是一种将氢和氧的化学能通过电极反应转换成电能的装置。虽然号称“燃料”电池，但它在反应过程中并不真正燃烧产生热能，而是将能量转化为我们所需要的电能。燃料电池的能量转换效率高达60%～80%，为普通内燃机的2～3倍；而且它的生成物是水，不会存在什么环保方面的问题。最重要的是，燃料电池具有很高的容量，而且燃料丰富、使用便捷，因此也被誉为21世纪上半叶最具有意义的科技。

东芝燃料电池可提供理想的容量，在体积相同的情况下容量比锂电池多一倍——为了生动说明，东芝特地展出不同电池驱动的同一种笔记本电脑，其中锂电池只能保持运行小时左右，而燃料电池维持了5个多小时，使用高容量的燃料盒后，更支持了长达10个小时——显然，如果使用低功耗的迅驰平台，这个数字可能还要翻番！何况这只是第一代燃料电池的水准，东芝表示它还具有很高的提升空间。

看点三梦幻的计算时代

Smart显示器并不是未来计算机的全部，如果你看过微软与HP合作的Athens（雅典）概念机，必然会为它的魅力折服——Athens科幻式的卓越设计思想，所表现出来的完全是未来生活情态！那么，Athens为何如此充满着魅力？

当你第一眼看到Athens，你会惊奇它16：9的17英寸宽LCD显示屏，LCD左边缘悬挂着立体声音箱，右边框伸出一个摄像头，采用蓝牙技术的无线键盘和无线鼠标摆放在桌面上……整套系统设计得非常迷人，简洁明快，充满科幻的风格，让人不仅以为这是22世纪的产物。那么，主机呢？平常那个硕大无比沉重得难以搬动且后面缠绕着一堆线缆的主机呢？设计师将Athens的主机缩成一个简简单单的小盒子，不经意地摆放在桌面上，还以为是个漂亮的小装饰——当然，如果你乐意也可以把它扔得远远的，Athens使用的可是Smart显示器！

我们在Athens概念机中没有看到一根线缆，甚至连电源线也