自然科学发展概要（9）

第九章 计算机科学的诞生和发展
第一节 计算机的诞生
从古至今，出于对计算的需要，人们一直在坚持不懈地寻找计算辅助工具。著名科普作家阿西莫夫说，人类最早的计算工具是手指，英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”；而中国古人常用“结绳”来帮助记事，“结绳”当然也可以充当计算工具。石头、手指、绳子……，这些都是古人用过的“计算机”。
1.1早期的计算机
不知何时开始，世界不同地区的人都不约而同地想到用“筹码”来改进计算工具，其中要数中国的算筹最有名。商周时代问世的算筹，实际上是一种竹制、木制或骨制的小棍。古人在地面或盘子里反复摆弄这些小棍，通过移动来进行计算，从而出现了“运筹”这个词，最初运筹就是计算，后来才派生出“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”那样的新的词义。中国古代科学家祖冲之最先算出了圆周率小数点后的第6位，使用的工具正是算筹，这个结果即使用笔算也很不容易求得。
算筹在使用中，一旦遇到复杂运算常弄得繁杂混乱，让人感到不便，于是中国人又发明了一种新式的“计算机”——算盘。世界文明的四大发源地──黄河流域、印度河流域、尼罗河流域和幼发拉底河流域──先后都出现过不同形式的算盘，只有中国的珠算盘一直沿用至今。
早在公元前500年的古希腊、罗马时期，就出现了由石头和金属制成的“算板”（如图9.1）。
到了公元5年至1400年间，木头成了制作算板的主要材料。这时，出现了水平方向的“算板”（如图9.2）。











中国的珠算盘最早可能萌芽于汉代，定型于南北朝。它利用进位制记数，通过拨动算珠进行运算：上珠每珠当五，下珠每珠当一，每一档可当作一个数位。打算盘还必须记住一套口诀，口诀相当于算盘的“软件”。 （图9.2）
算盘本身还可以存储数字，使用起来的确很方便，它帮助中国古代数学家取得了不少重大的科技成果，在人类计算工具史上具有重要的地位。后来算盘传到了日 本和韩国。日本人还对它进行了改造，形成了现在所流行的两种算盘（如图9.3）。在中国，算盘一开始只是作为记数和进行简单运算的工具，历史学家们认为：当时它的比较准确的名称应该是“算板”。到了宋元明清时期，才逐渐发展成为今天我们所见到的算盘。这只是历史学家们的一个估计，算盘真正的起源和发展过程，仍是一个未解之迷。
算盘可以说是早期的计算机。它 （图9.3）
具有灵便、准确的特点。即使在计算机非常普遍的现代社会，算盘仍然没有退出历史的舞台。
计算机一开始是以“计算器”的形态出现的。早期的计算机也只能从事简单的加减运算。第一台真正的计算机是1642年法国数学家帕斯卡发明的机械计算器，但是它太粗糙，无法满足当时的计算需要。不过，人们普遍将帕斯卡的这一算术计算机模型，作为计算机历史的开端。需要指出的是，人类计算技术的历史，并不是从这时开始的。1900年，考古学家在位于希腊的一艘 沉船上，发现了公元八十二年制造的一台算术计算机。1623年9月，图宾根大学教授威廉·什卡尔制成了一部可以自动进行加、减、乘、除运算的计算机，可惜没有保留下来。专家们还在马德里国家图书馆发现了列奥拉·达·分奇没有发表的稿子，其中有一些机器设计图和草图，这当中有一幅图上画的就是计算机。1775年，一个英国发明家也有两台按级轴原理制造的计算机。一台的轴是渐进运动的，造于1775年；一台的轴是旋转运动的，造于1777年。
在技术史学家们看来，要把计算机的历史写完整，就不得不提著名学者莱布尼茨和舍比什夫的工作。1672年到1673年间，莱布尼茨发明了不仅可以做加法，而且可以做乘除法的计算机。并且这种计算机可以不用连续加、减法而直接进行乘法运算。而俄国著名数学家和机械师巴甫罗迪·舍比什夫发明了能够连续地和逐渐地进行进位的十进位数计算机。并且在发明了加法计算器后三年，又补加了一个转接装置，以便能够做乘法和除法运算。
1822年，一位叫巴贝杰的工程师依据化繁为简的分步计算思想，设计出了“差分机”。可惜后来由于资金和技术上的问题，差分机并未成功。后来在法国工程师贾夸特发明的自动控制织布机的基础上，巴贝杰转向了利用穿孔卡进行控制的计算机——分析机的研究。
在巴贝杰那个时代，有许多的发明家和科学家在做这方面的工作。一个叫库默尔的人向圣彼得堡科学院提供了一种主要用于加减法运算，且不管数多大都可以进行的计算机。大约同一时期，查理·托马斯已开始大量生产计算机。并且于1820年制造了一台能做四则运算的计算机。这台计算机的运算速度在当时来说是相当快的。它可以在十八秒钟内得出两个八位数的乘积，在二十四秒钟内得出一个六位数和一个八位数相除的商。1848年，四则计算机已经达到十位数了。可以说，查理·托马斯的四则计算机是19世纪应用最普遍的计算机。
1873年，圣·彼得堡国家纸张制造工程师W·奥德勒设计出了简便、容易操作的四则计算机。1889年，美国人赫曼·何勒内斯在巴贝杰的基础上取得了新的进展。它制造了功能各异的穿孔卡计算机系统。然后利用人工，将穿孔卡片从一台机递送到另一台机，每台机只负责完成一道特定的工作。著名的国际通用计算机公司（IBM）就是从这种机型开始逐步发展起来的。19世纪末20世纪初时，国际贸易已朝复杂的、多边合作的方向发展。穿孔卡计算机正好迎合了这一时代的需要，所以得以走出科学家的深闺，走上了通向广大商业用户的坦途。
1.2 二次世界大战时期的计算机
从第一次世界大战之后，到第二次世界大战爆发之前，穿孔卡计算机的制造已发展到相当的规模。以电动机为动力的穿孔卡计算机不仅可以解决一般的财会和统计问题，还可一定程度的满足天文和军事上的需要。
二次大战爆发后，军事上破译密码和火炮研制等迫切需要有功能更强大的计算工具。1943年3月，正在英国通信部工作的图灵（Turing），运用他的专业技能，开始研制“科洛萨斯（Colossus）”计算机。它的主要功能是破译经过德国 Enigma （如图9.4）加密机加密过的密码。Enigma能够定期将密码改变，让破译者根本摸不到头绪。1944年1月10日，Colossus正式投入使用，它仅需6至8小时，就能破译原来需要6至8个星期才能破译的密码。
Colossus比美国的ＥＮＩＡＣ计算机问世早两年多，在二战期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。Colossus是用马达和金属做的，与现在的数字式计算机根本不是一回事，但它是现代计算机发展史上的重要一步。
这一时期，英国的计算机技术在世界上处于领先地位，但是它没有抓住这一机会。而同一时期的美国，则积极鼓励发展计算机技术和产业。1944年，美国国防部门组织了由莫奇利和埃克脱领导的ＥＮＩＡＣ计算机的研究小组。当时在普林斯顿大学工作的现代计算机奠基者冯·诺依曼也参与了研究工作。
这一时期出现的两位著名的计算机专家，图灵（Turing）和冯·诺依曼（von Neumann）对后来计算机的发展起了决定性的作用。
（图9.4）艾伦·图灵（Alan Turing），1912年生于英国伦敦，1954年死于英国的曼彻斯特。他出生于伦敦时，父母于印度就官。由孩提时期起，图灵就显露出了科学天才，但是他在人文科学方面的成绩却差强人意。1928年，图灵和校友克里斯托福.摩肯产生了热烈的友谊。不幸的是，摩肯于两年后患肺结核不幸逝世。摩肯的死给图灵造成了非常大的打击，并促使图灵开始发愤学习。不久，图灵就获得奖学金进入了剑桥大学国王学院（King’s College）。1934年，图灵以优异成绩获得硕士学位，并被评为优秀毕业生，进入美国普林斯顿大学继续深造。后来获得数理逻辑领域的博士学位。
图灵是二十世纪最伟大的数学家之一，是计算机逻辑的奠基人。他对计算机的重要的贡献，就是他提出的有限状态自动机，也就是图灵机（The Turing Machine）的概念。图灵机具有无限长的磁带，即无限的存储量。能够无休止的进行操作而不出现故障。每一步运算，不仅遵循已设定的并且已经输入磁带中的程序，而且需要根据前面执行过的运算而定。图灵机被公认为现代计算机的原型。图灵机可以读入一系列的零和一，这些问题代表了解决某一问题所需要的步骤，按照这个步骤走下去，就可以解决一定的问题，即后来我们所说的“人工智能机”。从理论上来说，图灵机是通用的。而当时大部分的计算机还只能解决某一特定问题，不是通用的。
对于人工智能，图灵提出了重要的衡量标准——图灵测试(The Turing Test)。如果有计算机能够通过图灵测试，那么它就是一个完全意义上的智能机。图灵相信机器可以模拟人类大脑的思维，并于1950年提出了著名的“图灵测试”。测试是让考官通过键盘向一个人和一个机器发问，这个考官不知道他现在问的是人还是机器。如果经过一定时间的提问之后，这位人类考官还不能确定谁是人，谁是机器，那么就可以认为这个机器有智力了。在今天看来，这个测试非常简单，可是伟大的思想往往就源于简单的事物之中。
1952年，图灵写出了经典文章《智能机器》(Intelligent Machinery)。许多人工智能的重要方法都来源于这位伟大的科学家。因此，图灵被后人尊称为“人工智能之父”。
为纪念图灵为现代计算机所做出的贡献，美国计算机协会（ACM）于1966年设立了“图灵奖”。这是在计算机技术方面所授予的最高奖项，被喻为计算机界的诺贝尔奖。
冯·诺依曼（John von Neumann）（如右图），1903年出生于匈牙利的一个犹太家庭，父亲是一位银行家。幼年的冯·诺依曼就已经显现出了过人的聪慧。他3岁就能背诵父亲帐本上的所有数字，6岁能够心算8位数除8位数的复杂算术题，8岁学会了微积分，以至于到了他11岁时，他的父亲不得不为找一个合适的家庭教师而烦恼。
在进入正规学校就读不到一个学期之后，冯·诺依曼的数学教师就把他推荐给了布达佩斯大学的一位数学教授。在学习期间，他阅读了大量历史和文学方面的书籍，并学会了七种外语。不到17岁时，冯·诺依曼就和数学教授联名发表了他的第一篇数学论文。22岁时，他获瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程师文凭。一年之后，轻而易举摘取布达佩斯大学数学博士学位。之后不久，转而攻向物理学，为量子力学研究数学模型，在理论物理学领域占领了突出的地位。这时的冯·诺依曼已成为横跨“数、理、化”各门学科的超级全才。
1928年，他接受美国数学泰斗，普林斯顿高级研究院维伯伦教授（O.Veblen）的邀请，赴美任教。1933年，他又与爱因斯坦一起，被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授，而且是六名大师中最年轻的一名。
冯·诺依曼最大的贡献，就是建立了现代计算机设计的一般逻辑理论。1945年，冯·诺依曼与戈德斯坦等人联名发表了计算机史上著名的“101页报告”，这份报告奠定了现代计算机体系结构的坚实基础，并被认为是计算机发展里程碑式的文献。冯·诺依曼也因此获得“计算机之父”的美称。
这份报告又称为 EDVAC 报告，它是“离散变量自动电子计算机”的英文缩写。在这份报告中，冯·诺依曼明确规定出了计算机的五大部件：运算器CA，控制器CC，存储器M，输入装置I和输出装置O，并描述了五大部件的功能和相互关系。冯·诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。[1]
自冯·诺依曼设计EDVAC开始，直到今天我们用“奔腾”（Pentium）芯片制作的多媒体计算机，共四代，成千上万台计算机，其结构都没能跳出诺依曼机体系，冯·诺依曼为现代计算机的发展指明了方向。随着人工智能和神经网络计算机的发展，“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破，但是冯·诺依曼对于电脑发展所做的贡献和他的巨大成就，将永远在人类文明历史上绽放夺目的光辉。
值得一提的是，冯·诺依曼还利用计算机去解决各个学科领域中的问题。他提出了一项用计算机预报天气的研究计划，构成了今天系统的气象数值预报的基础；他受聘担任IBM公司的科学顾问，帮助该公司催生出第一台存储程序的电脑IBM 701；他对电脑与人脑的相似性怀着浓厚的兴趣，准备从计算机的角度研究人类的思维；他虽然没有参加达特默斯首次人工智能会议，但他开创了人工智能研究领域的数学学派；他甚至是提出计算机程序可以复制的第一人，在半个世纪前就预言了电脑病毒的出现……[1]
1957年2月8日，身患骨癌的冯·诺依曼在美国德里医院与世长辞，终年54岁。他一生获得了数不清的荣誉，包括两次美国总统奖。1994年，还被追授予美国国家基础科学奖。他是计算机史上最有影响的一代伟人。
1.3 第一台电子计算机
在1946年2月第一台计算机诞生之前，人类对于计算工具的研究一直没有停歇。但是在漫长的岁月间，人类只迈出了很小的步伐。直到1946年，世界上第一台电子数字积分式计算机——埃尼克（ENIAC，Electronic Numerical Integrator And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生(如图9.5)。
（图9.5）
ENIAC犹如一个庞然大物，它重达30吨，占地170平方米，内装18000个电子管，每秒只能进行5000次加减运算。但其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。ENIAC耗电惊人，功能有限，但是确实能够节省人力和时间。这台计算机从1946年2月正式开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，一共服役了9年多。
ENIAC的诞生，表明了电子计算机时代的到来，标志着人类进入数字化时代，预示了科学家们将从奴隶般的计算中解脱出来，具有划时代的意义，它开辟了一个计算机科学技术的新纪元。
1.4 电子计算机的发展
环境在快速多样的变化，计算机工业远比地球上其它任何工业的发展都要快。从ENIAC出现至今已有50多年。在这50多年的时间里，计算机的发展，可以用一句“一日千里”来形容。人们一般根据计算机采用的物理器件的发展，将电子计算机的发展分成几个阶段。
第一代：电子管计算机
第一代电子计算机是电子管计算机，时间大约为1946年～1957年。1949年，第一台存储程序计算机——EDSAC在剑桥大学投入运行。ENIAC和EDSAC均属于第一代电子管计算机。电子管计算机采用磁鼓作存储器。
这一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件，因而体积庞大、耗电多、运算速度较低、故障率高而且价格昂贵；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几KB。因此，第一代电子计算机仅限于军事和科学研究工作。
其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。
第二代：晶体管计算机
第二代电子计算机是晶体管电路电子计算机，时间大约为1957年～1962年。1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明的晶体管，比电子管功耗少、体积小、质量轻、工作电压低、工作可靠性好。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机的体积大大缩小。
1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。其基本特征是逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都是用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器主要采用磁盘、磁带，外设种类也有所增加。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。输入和输出方面有了很大的改进，价格大幅度下降。
与此同时，计算机软件也有了较大发展。在程序设计方面，一些通用的算法和语言研制成功，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。操作系统的雏形开始形成。
与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有IBM7094、CDC 7600。
第三代：集成电路计算机
第三代电子计算机是集成电路计算机，时间约为1962年～1970年。60年代初期，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，引发了电路设计革命。随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几平方毫米的单晶硅片上集成由十几个甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。随后，集成电路的集成都以每3～4年提高一个数量级的速度增长。
1962年1月，IBM公司采用双极型集成电路，生产了IBM 360 系列计算机。DEC公司（先并入Compaq 公司）交付了数千台PDP小型计算机。
第三代计算机采用小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）和中规模集成电路MSI（Middle Scale Integration）作为逻辑元件，使用范围更广。 第三代电子计算机的运算速度，每秒可达几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积更小、价格更低，软件也逐步完善。
同一时期，计算机还朝着标准化、多样化、通用化、机种系列化发展。高级程序设计语言在这个时期有了很大发展，并出现了操作系统和会话式语言，尤其是一些小型计算机在程序设计方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。值得一提的是，操作系统中“多道程序”和“分时系统”等概念的提出，并结合计算机终端设备的广泛使用，使得用户可以在自己的办公室或家中使用远程计算机。
从50年代的真空电子管计算机开始，到1959年的晶体管计算机，1965年的集成电路计算机，在短短15年的时间里，计算机发展到第3代。无论是算盘还是早期的机械计算机，其发展无不经历了上百年的里程。5年后的1970年，第一台个人计算机问世。
第四代：大规模集成电路计算机
到了70年代，计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。1971年美国Intel 公司年轻的工程师马西安· 霍夫（M. E. Hoff）研制成功了一片4位微处理器 Intel 4004 ，一片320位（40字节）的随机存取存储器，一片256字节的只读存储器和一片10位的寄存器，他们通过总线连接起来，于是就组成了世界上第一台4位微型电子计算机——MCS－4。虽然字长只有4位，且功能很弱，但它是第四代计算机在微型机方面的先锋。它的诞生，拉开了世界微型机发展的序幕。
1972－1973年，8位微处理器相继问世。1972年，Intel 公司推出8位微处理器 Intel 8008，它主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal Oxide Semiconductor——金属氧化物半导体）电路。这就是人们常说的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。
1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，这就是第二代微处理器。尽管它的性能还不完善，但显示了无限的生命力，促使众多厂家投入竞争。具有代表性的产品有Intel公司的Intel 8085、Motorola公司的M 6800、Zilog公司的Z 80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型机及其外围设备都得到相应发展并进入盛期。由它装备起来的微型计算机称为第二代微型机。
1978年，16位微处理器相继出现，标志着微处理器进入第三代，微型计算机到达一个新的高锋，首先成功开发16位微处理器的是Intel公司。由于它采用了H－MOS（H－High performance）新工艺，使新的微处理器Intel 8086 比第二代的 Intel 8085在性能上提高了将近十倍。类似的16位微处理器还有Z 8000、M 6800等。由第三代微处理器装备起来的微型计算机称为第三代微型机。
1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器开始问世，标志着第四代微处理器的诞生。如Intel公司的80386，Zilog公司的Z80000，惠普公司的HP－32，NS公司的NS－16032等。新型的微型机系统可以与20世纪70年代的大中型计算机相匹敌。用第四代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型计算机。
Intel公司不断地进行着微处理器地革新。1993年，Intel公司推出32位微处理芯片奔腾（Pentium），它的外部数据总线为64位，工作频率为66 MHz～200 MHz。以后的Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium Ⅱ CPU都是更先进的32位高档微处理器。后来又推出了奔腾三代（Pentium Ⅲ），现在则推出了Pentium Ⅳ。
第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化两个方向发展。但是，微处理芯片微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。据英特尔公司格洛夫推测，到2011年，一个硅芯片上能够集成的晶体管数将是10亿个，运行速度为每秒执行1000亿条指令，性能超过高能奔腾芯片的250倍，是最初4004芯片的43.5万倍。届时，将由生物芯片或量子器件替代硅芯片，引来新一轮冲击波。
从第一代到第四代，计算机的体系结构都是相同的，即都由控制器、存储器、运算器和输入输出设备组成，称为冯· 诺依曼体系结构。当年，在ENIAC诞生后，“计算机之父” 冯·诺依曼曾大胆预言：“有四台像ENIAC这样的计算机就足够全世界使用！”。而IBM公司的创始人沃森则给自己留了一点余地：“世界市场对计算机需求大约只有5部。”在那个大型机一统天下的时代，连当时最著名的科普大师艾萨德·阿西莫夫也预言：“一架电脑最终会有几十亿个电子管，有一个国家那么大。”他们的语言，在今天看来，是多么的不可思议。他们无法想象，就在50年后，全世界的计算机已经超过了4亿台。同时，电脑的体积缩小到只有ENIAC的几万分之一，然而速度却提高了几个数量级，可靠性能提高了几千倍,成本也只有ENIAC的万分之一。
电脑的近50年的发展速度是非常惊人的。我们可以回顾一下电脑产生的整个历史过程。1642年法国数学家帕斯卡研制出的机械计算机是世界上第一台能够进行加减运算的计算机，它可是说是计算机的雏形。然而直到1944年美国哈佛大学的艾肯博士发明了最后一台磁式计算机Mark Ⅰ为止，300多年间，计算机的运算速度才达到每秒200次。
1946年ENIAC的诞生，立刻就把运算速度提高到了每秒5000次。就在ENIAC诞生35周之后，它的运算速度就已经输给了当时廉价的微型电脑TRS－80。ENIAC的造价是TRS－80的800倍，运算速度仅为TRS－80的1/18。
1969年，美国阿波罗载人飞船第一次登上月球时，指令舱电脑仅有36K存储器，今天任何一台供儿童玩耍的手持式游戏机都能令它自愧弗如。
1996年，Intel公司发布了它专门为美国能源部门研制的超级电脑。这部电脑采用了9624个高能Pentium芯片，大规模并行处理数据，号称当时世界上最高速的电脑，每秒钟运算速度高达1万亿次。同年12月，以研制巨型电脑闻名的Cray公司与图形电脑巨头SGI公司合并后，研制出具有256台高性能处理器的超级电脑。1999年这个系统的处理器数目被提高到4096台，运算速度达到3万亿次。美国能源部还宣布，它在下一个10年的目标，是要研制出每秒运算100万亿次的超级计算机系统。与国内比较，最近我国“联想”集团研制成功的“深腾”LSSC—Ⅱ机的运算速度已达到1万亿次，名列世界最快计算机第24位。
在计算机的速度和性能不断提高的同时，计算机的价格却呈指数级的不断的下跌。50年代的大型计算机售价高达100万美元。到了1986年，功能远远超过50年代大型计算机的个人计算机，价格降到了2000美元之下。曾有人做过这样一组比较。如果按照计算机的降价幅度，到飞机和汽车发展到第四代的时候，仅仅只需几美元。
有人半开玩笑半认真地说，60年代电脑专业毕业的研究生，若从那一时刻起再也不接触电脑，那么，到了90年代会发现自己成了“机盲”。有关资料显示，在近10年内，一位普通工程师所掌握的知识的90%都与电脑的发展有关，因为电脑乃是当代变化最剧烈的科学技术。
第五代：智能计算机
1981年，日本东京召开了一次第五代计算机——智能计算机研讨会，随后制定出研制第五代计算机的长期计划[4]。世界各国的科学家们都准备在90年代研究和发展新一代的计算机。这是集成更高、运算速度更快、功能更加齐全的第五代计算机——人工智能计算机。
第五代计算机的系统设计中考虑了编制知识库管理软件和推理机，机器本身能根据存储的知识进行判断和推理。同时，多媒体技术得到广泛的应用，使人们能用语音、图像、视频等更为自然的方式与计算机交流。
第五代计算机的主要特征是具备人工智能，能像人一样思维，并且运算速度极快，其硬件系统支持高度并行和快速推理，其软件系统能够处理知识信息。长期以来，人们就力图模拟自己的大脑，因而产生了人工智能这门学科。人工智能是探索和模拟人的感觉和思维过程的一般规律的。研究用计算机来模拟和执行人脑的智力功能的科学技术，称为人工智能。相应的，具有人工智能的计算机，称为智能计算机。它借助于给电子计算机编制程序的手法使它执行类似人的智能的任务和进行学习。
当前计算机的人工智能水平总的说来还比较低，功能不够完善。虽然计算机目前能够进行文字翻译、定理证明、图像识别、弈棋和操控机器人，在某些局部领域其“智力”甚至超过了人类，但在某些方面，一台大型计算机的智能还不如一个三岁的孩童。
IBM公司在90年代中后期推出的“深蓝”，于1997年击败国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。“深蓝”的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。
第二节 计算机的工作原理
也许大家或多或少的接触过计算机，不过相信多数人对于计算机都是处于一种黑箱操作状态。对于计算机的内部结构如何,以及计算机是如何工作的，恐怕就知之甚少了。那么计算机内部都有些什么结构呢？这些结构间又是怎样相互协作呢？
2.1 计算机的身体－硬件
普通微机的机箱里通常包括以下几个主要部件：主板、主板上安装的CPU（微处理器）芯片、主存储器模块、显示卡、磁盘存储器接口卡及外部设备接口卡等。在主机箱里还可能安装着硬盘、一个或两个软驱。除此之外，主机箱里还有另一个重要设备——电源。下面，我们将简单介绍一下这些硬件设备的基本功能。
主板（如图9.6）是机箱里最重要的部件，又称主机板、系统板。它是一块安装了许多电子元件的多层印刷电路板，CPU、内存和其他重要部件都安装在主机板上。主板最重要的功能是实现系统总线，实现各主要系统部件之间的信息连接和通信管理。一般主板上都会有几个CPU芯片插槽，我们只要把CPU直接插入这个插槽就可以使用了。当然也有些主板上的CPU是焊接上去的。
CPU（Central Processing Unit）（如图9.7）是计算机系统的核心部件，它的主要任务是处理信息，完成计
（图9-7）算。CPU的基本功能是执行指令。指令就是要求CPU执行某种 （图9.6）
动作的命令。CPU的性能主要由三个因素决定，一是执行指令的速度；二是处理数据的二进制位数（称为CPU的“字长”或者“数据宽度”）；三是指令本身的处理能力。CPU也是由几个部分组成的。一是一组称为“寄存器”的高速存储单元，用于CPU内部数据和其他信息的存储。一是由一个或几个执行基本算术逻辑动作的计算部件组成的“算术逻辑单元”（ALU，Arithmetic Logic Unit），它们实际执行计算。一是作为CPU控制中心的程序控制单元，它是CPU的核心，负责处理指令，控制各部件的活动。
（图9.8）主存储器又称为内存储器（Main Memory）（如图9.8），简称内存或主存。现代微型机的内存通常采用超大规模集成电路芯片制成。若干芯片安装在一个小电路板上，构成一个称为SIMM（Single In-line Memory Module）的存储模块。这个存储模块上焊有数目不等的记忆IC（Instructions Cache，指令缓存）。可分为以下2种型态：72PIN：72脚位的单面内存模块是用来支持32位的数据处理量。30PIN：30脚位的单面内存模块是用来支持8位的数据处理量。内存模块的规格除了容量外，另一个重要的指标是访问速度。它的速度是以每笔CPU与内存间数据处理耗费的时间来计算，总线循环(bus cycle)以纳秒(ns)为单位。速度快的内存工作效率自然高。内存模块另一个不同点是有的模块包含奇偶校验，有的模块则没有。有奇偶校验的内存由于在存储和传输中可以进行正确性的检查，所以可靠性更高，但价格自然也就相对高些。
计算机主板上还有一组扩展插槽。这些插槽是为各种插卡准备的。包括作为计算机基本配置的显示卡、磁盘接口卡以及各种扩展卡（如图9.9）。例如调制解调卡（Modem），声卡（用于输入输出音频信号），解压缩卡（用于恢复经过压缩的视频信号）等。扩展插槽就是设备连接总线的接口。 （图9.9）
每一个类型的总线都有自己额定的运行频率，如果超过太多，就可能使设备运行不正常。
显示器的接口一般是插在主板扩展槽上的一块卡——显示卡（如图9.10）。现
（图9.10）在的计算机一般都是使用彩色显示卡。由于显示器工作时信息传输量非常大，尤其是对于采用图形用户界面的系统，如Windows等，在中央处理单元和显示器之间需要提供高速数据连接。因此，目前的显示卡一般都采用PCI总线（Peripheral Component Interconnect:外部设备互连）。显示卡安装在主板上，它在机箱后面有一个15孔的显示器连线插座，供连接显示器使用。目前的图形显示卡带有图形加速功能，它们能直接处理程序的标准图形显示命令。近年来，更高性能的显示卡还提供了支持三维图形显示、动画等功能。显示卡上还有一个显示存储器（简称显存），它的大小对显示卡的性能有巨大影响。
磁盘接口则包括软盘接口和硬盘接口两个部分。现在，由于技术的发展，软盘已经越来越无法满足人们的需要。Intel首先吹响了终结软驱的号角，表示要在新一代的计算机架构中同时取消软驱、并行口、串口等老古董外设。国内的一些整机厂商如联想、实达等也纷纷呼应，推出了好几款使用zip和优盘的PC及笔记本电脑。韩国三星更是极端，宣称即将在全系列产品，包括桌面PC和笔记本电脑不再使用软驱。日前，一家著名的DIY网站在其全国第八届DIY大赛上也宣布，不再将软驱作为必选配置。由此看来，短时间内软驱被废已是大势所趋。
计算机的硬盘接口有两个系列。 一个是在一般计算机中广泛使用的IDE（Integrated Device Electronics）方式，另一个是在高性能工作站和网络服务器上广泛使用的SCSI（Small Computer System Interface:小型电脑系统界面）方式。SCSI方式具有更高的数据传输速度。目前的计算机多采用扩展的IDE（即EIDE，Enhanced IDE：增强性IDE）。
目前，所有的计算机都提供了一个专用的键盘插口。现今的一些流行的Pentium主板多采用PS/2做鼠标接口，而放弃常用的串行接口做鼠标接口。这样做的好处是：既可以节省一个常规串行接口，又可以使鼠标得到更快的响应速度。
此外，计算机机箱后面一般还提供的接口有：一个小型的9针插座是串行通信接口，用于连接对数据传输速度要求较低的设备，也可用于计算机间的互连；一个25针的大型并行接口插座，用于连接打印机等并行设备。
同时，许多扩展卡提供自己的外部接口插座。例如Modem卡带有连接电话线的插座，声卡带有连接麦克风、扬声器等的插座等。
2.2 计算机的思想——软件
计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的。一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。那么什么是软件呢？广义来看，软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。软件的基本组成部分是完成其功能的程序，程序设计语言（也称为“编程语言”，Programming Language）是人们编制程序时所使用的语言。
计算机软件非常丰富，通常按功能将它们分为系统软件和应用软件两大类。
2.2.1系统软件
系统软件是计算机系统的一部分，它是支持应用软件运行的。它为用户开发应用系统提供一个平台，用户可以使用它，但不能随意修改它。常用的系统软件有：操作系统OS（Operating System），语言处理程序，联接程序，诊断程序，数据库系统，数据仓库几种。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，它一般包括进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理五个管理功能。其中操作系统又分为实时操作系统、分时操作系统、批处理操作系统、单用户操作系统、网络操作系统几种。目前在计算机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows系列、NetWare等。这些操作系统根据侧重面和设计思想的不同，结构和内容存在很大差别。
语言处理程序是人与计算机之间交流的工具。一般分为机器语言、汇编语言和高级语言几种。
机器语言（Machine Language）是计算机系统能识别的，不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。汇编语言（Assemble Language）是面向机器的程序设计语言，它是为特定的计算机设计的。高级语言诞生于20世纪50年代中期到70年代。这些高级语言较为接近自然语言的英文表达方式和数学表达方式。我们通常把用高级语言编写成的程序称为“源程序”，而把由源程序翻译成的机器语言程序和汇编语言程序称为“目标程序”。计算机将源程序翻译成机器指令时，通常有“翻译”和“解释”两种方式。目前常用的高级语言有：FORTRAN、PASCAL、C语言程序（包括现在较常用的面向对象的Visual C＋＋程序设计语言）、BASIC、JAVA等。
联接程序则可以把目标程序变为可执行的程序，因此又称为组合翻译程序或联接编译程序。由源程序到可执行的目标程序一般有两个阶段：翻译阶段和联接阶段。翻译阶段将源程序转换称为目标程序，这时程序仍是不能执行的。联接则是将目标程序转换成一个可执行的装入程序。诊断程序我们平时提得比较少。它主要用于对计算机系统硬件的检测。
60年代后发展起来的数据库系统是计算机科学中发展最快的领域之一。数据库系统通常由硬件、操作系统、数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）、数据库和应用程序组成。数据库是按照一定的方式组织起来的数据集合，具有数据冗余度小、可共享等特点。目前常用的数据库管理系统有：DB2、SQL Server、SYBASE、ORACLE等。
而数据库仓库是近几年才迅速发展起来的一种存储技术。目前，计算机界对数据库仓库还没有一个统一的定义。但是却有一个一致的观点，就是：数据库仓库绝不是数据的简单堆积。
2.2.2应用软件
应用软件是指利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。目前的应用软件可以分为一下几种类型：
(1)文字处理软件，主要用于对输入计算机的文字进行修改、编辑、排版等。目前常用的文字处理软件有：WPS、Microsoft Word等。
(2)表格处理软件，主要用于处理各式各样的表格。包括根据用户的要求自动生成相应的表格，完成表格计算等。还可将设计好的表格打印出来。目前常用的表格处理软件有Microsoft公司的Excel等。
(3)计算机辅助系统，主要是协助人们进行一些比较复杂的技术性工作，例如工程绘图等。主要包括辅助设计软件（CAD）、辅助制造软件(CAM)、辅助教育软件(CAI)和计算机代数系统辅助科研（CAS）。
(4)实时控制软件。现代的实时控制软件主要是指在现代化工厂里，用于生产过程自动控制的计算机上安装的，用于处理一定的生产信息如电压、温度、压力、流量等的软件。实时控制对计算机的速度要求不高，但可靠性要求很高，否则会造成重大损失和事故。这一类软件统称为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监察控制和数据采集）软件。目前比较流行的SCADA软件有FIX、InTouch、Lookout等。
2.3计算机工作原理
计算机的基本组成硬件我们已经有了初步的了解，那么它们之间是如何协同工作的呢？计算机系统的基本结构如图9.11所示。
（图9.11）
由图中我们可以了解，计算机由输入和输出设备、存储器、运算器和控制器五个部分组成。它一般采用存储程序模式，程序和数据存放在同一个存储器中。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可根据运算结果和外界条件的改变而改变。
计算机以运算器为核心。输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。运算器也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（“与”、“或”、“非”等）。在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。
控制器则由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它地基本功能就是从内存取指令和执行指令。控制器和运算器合称为中央处理单元，即CPU（Central Processing Unit），它是整个计算机的核心。内存储器则用于存放要执行的程序和数据。
有了这些计算机仅仅只是有了运算的可能性。如果要让计算机进行计算、控制等功能，还必须配有必要的软件。这里的软件主要是指使用计算机的各种程序。计算机主要通过各种指令完成某个操作。一条指令通常由操作代码和操作数两个部分组成。操作代码指明该指令要完成的操作，操作数则指参加运算的数或数所在的地址。用户根据解决某一问题的需要，选择相应的指令进行有序的排列。计算机执行了这一指令序列，便可以完成预定的任务。
计算机执行指令一般分为两个阶段。首先，将要执行的指令从内存取到CPU内。接着，CPU对读入的该条指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作。接着向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。当一条指令执行完后，就进入下一条指令的读取操作。
程序则是由一系列指令的有序集合构成，计算机执行程序就是执行这一系列指令。CPU从内存读出一条指令到CUP内执行，当该指令执行完，再从内存读出下一条指令到CPU内继续执行。CPU不断的读取指令，执行指令，这就是程序的执行过程。
计算机是一种具有强大信息处理功能的电子设备，它有两个主要特点：它所处理的信息是数字式的，它的信息处理工作采用“存储程序控制”方式。因此，它具有完全的通用性。编制程序是计算机解决问题的关键之一。程序是由人根据需要编制的，计算机能按照程序，一条一条地忠实执行指令。
2.4 计算机语言的产生和发展
语言是人类所特有的用来表达意思、交流思想、传递信息的工具，是一种特殊的社会现象。而计算机是二十世纪人类文明史上最先进的发明。为了让计算机更好地为人类服务，我们必须得让计算机明白我们的意思，并能够按照我们的要求去工作。在这个基础上，计算机语言就应运而生了。计算机语言也叫程序语言（Program Language），是人与计算机交流的和沟通的重要工具。
由于计算机只能识别“0”和“1”两种状态，也就是说，计算机智能依靠电路“0”和“1”两种状态的转换来完成数字运算、逻辑操作和信息存储。因此，从世界上第一台电子计算机诞生的那一天起，人们就一直在设法开发计算机所能“理解”的语言。具体的做法是：用“0”和“1”编码的指令写出“机器语言”来。这样的机器语言就能沟通人与机器之间的对话。而这种直接用机器语言写出的程序，我们通常称之为手编程序。但是，以“0”和“1”为代码来编写程序，不仅难写而且难读，效率非常低。有鉴于此，人们开始改用符号来代替手编程序中的操作码和地址，于是就产生了汇编语言。编制符号程序（由汇编语言编写的程序）比起手编程序要先进、方便得多，但是编制符号程序因机器而异，而且效率也低，这与计算机硬件的高速发展是相矛盾的。
1953年12月，IBM公司程序师约翰·巴科斯（J. Backus）建议为IBM 704设计一种全新的程序设计语言。巴科斯曾在“选择顺序控制计算机”（SSEC）上工作过3年，深深体会到编写程序的困难性。他说：“每个人都看到程序设计有多昂贵，租借机器要花去好几百万，而程序设计的费用却只会多不会少。”因此，他希望能设计出一种用于科学计算的“公式翻译语言”（FORmula TRANslator）。1954年，他带领的一个13人小组设计完成了第一个电脑高级语言——FORTRAN语言。1957年，西屋电气公司幸运地成为FORTRAN的第一个商业用户。之后，不同版本的FORTRAN纷纷面世。1966年，美国统一了它的标准，称为FORTRAN 66语言。直到今天，FORTRAN仍然是科学计算选用的语言之一，巴科斯也因此摘取了1977年度“图林奖”。
在FORTRAN得到广泛运用的时候，并没有适用于商业的计算机语言。早在1952年，在斯佩里·兰德公司兼任系统工程师的格蕾丝·霍波（Grace Hopper ,1906-1992）率先研制出世界上第一个编译程序A-O，能够将类似英语的符号代码转换成计算机能够识别的机器指令，并发表了第一篇关于编译器的论文。到了50年代中期，她又开发出Flow－Matic语言，为COBOL高级语言诞生创造了基础。1959年5月，格蕾丝·霍波领导一个工作委员会成功的设计出第一个商用计算机语言COBOL（Common Business Oriented Language）。COBOL最重要的特征，就是和英文语法非常接近，可以让不懂电脑的人也看懂程序。只需要对编译软件进行少许修改，就可以在任何类型的电脑上运行。当时还发生了一件很有趣的事。这个委员会中有一个人担心这种语言不会长久，特地为这种语言制作了一块墓碑。然而，COBOL却幸存下来。1963年，美国国家标准局对它进行了标准化。用它编写的软件，要比其它语言多得多。格蕾丝·霍波是计算机语言领域的开拓者，人们尊敬的将她称作“计算机语言之母”。计算机界的通用术语“臭虫”（Bug），和90年代末引起世界范围内恐慌的“千年虫”（Y2K），就来自于霍波的天才创造和发明。1971年，为了纪念现代数字计算机诞生25周年，美国计算机协会设立了“格蕾丝·霍波奖”，专门颁发给年度最优秀的30岁以下的青年计算机工作者。
1958年，一个国际商业和学术计算机科学家组成的委员会在瑞士苏黎世开会，探讨如何改进FORTRAN。在这次会议上，科学家们探讨设计了一种标准化的电脑语言，巴科斯也参加了这次会议。1960年，该委员会在1958年设计的基础上，定义了一种全新的语言版本——国际代数语言ALGOL 60，并首次引进了局部变量和递归的概念。后来，ALGOL没有能够得到广泛的应用，但是却演变称为其他程序语言的概念基础。
FORTRAN和ALOGO等语言虽然在数值计算种能够大显身手，但是在人工智能领域却一筹莫展。1960年，美国马萨诸塞理工学院的计算机科学加约翰·麦卡锡发表了一篇的论文，文中介绍了一种新的计算机语言LISP。美国一直采用LISP作为人工智能语言，并开发了使用LISP的通用推理系统。特别是从七十年代到八十年代，获得了采用了LISP语言方面的许多研究成果。后来，另一种人工智能语言PROLOG在日本兴起。但是科学家们一直无法准确判断这两种语言到底谁更先进一些。
由于FORTRAN语言是为专业人员设计的，普通人难以理解和应用。为了让更多没有任何经验的人和非计算机专业的学生也能使用电脑，60年代中期，美国达特默斯学院的约翰·凯梅尼 （J. Kemeny） 和托马斯·卡茨（T.Kurtz）在简化FORTRAN的基础上，设计出一种“初学者通用符号指令代码”（Beginners All purpose Symbolic Instruction Code），简称BASIC。由于BASIC简单易学，而且使用方便，所以它很快就成为最流行的电脑语言之一，几乎所有的小型电脑和个人电脑都在使用它。BASIC经过不断的改进后，一直沿用至今。到后来，还出现了例如QBASIC和VB等新一代BASIC版本。
1971年，麻省理工学院（MIT）人工智能实验室的希摩尔·帕伯特（S.Papert），设计出了一种叫LOGO的电脑语言。LOGO是为孩子们设计的，它最初是个绘图程序，控制一个海龟图标，在屏幕上描绘爬行路径的轨迹，从而完成各种图形的绘制。希摩尔希望用LOGO语言启发孩子们学会学习，希望孩子们能进行创造性探索。在马萨诸塞州列克星敦，一些孩子用LOGO设计出了真正的程序，于是，LOGO就成了一种热门的教学语言。
计算机语言基本上在美国诞生和迅速发展，然而也有例外。1971年，瑞士联邦技术学院克劳斯·沃尔斯（N. Wirth）发明了另一种简单明了的电脑语言——PASCAL。PASCAL语言语法严谨，层次分明，具有很强的可读性，是第一个结构化的编程语言。加上它的程序相当容易编写，所以一出世，就受到广泛的欢迎。并迅速从欧洲传到了美国。沃尔斯还写了许多有关程序设计、算法和数据结构的著作。因此，1984年的“图灵奖”授予了他。
1983年，贝尔实验室的邓尼斯·里奇 （D.Ritchie）和他的协作者肯·汤姆森（K. Thompson）由于设计开发出C电脑语言，而获得了当年的“图灵奖”。C语言是当今软件工程师最喜爱的语言之一。关于C语言的诞生，还有一个小故事。里奇和汤姆森最初是答应为贝尔实验室开发一个文字处理软件。他们需要购买一台小型电脑PDP－11/20，并争取到10万美元的经费。然而机器购回后，他们却用它来编写UNIX系统软件。UNIX在科学家和工程师中间引起了巨大反响，很快就有了大量的追随者，并且推动了工作站电脑和网络的成长。而C语言是作为UNIX的“副产品”开发出来的。里奇和汤姆森研制C语言的初衷是为了用它来编写UNIX。C语言结合了汇编语言和高级语言的优点，因而大受程序师的亲睐。
1983年，贝尔实验室的另一位研究员比加尼·斯楚士舒普 （B.Stroustrup），把C语言扩展称为一种面向对象的程序设计语言C++。当今，虽然计算机语言极大丰富且种类繁多，但是在计算机界却流行这样一句话：最好的程序员用C++。的确，在今天，数以百万计的程序员在用它来编写各种数据处理、实时控制、系统仿真和网络通讯等软件。因此，在1995年，《BYTE》杂志将比加尼·斯楚士舒普列为“计算机工业20个最具影响力的人”行列。
后来，随着Windows操作系统的崛起，由传统的面向控制台的字符软件开发向面向窗口程序的可视化编程转化已成必然趋势，Visual C＋＋也就应运而生了。Visual C＋＋支持面向对象的程序设计方法（OPP－Object-Oriented Programming）,支持MFC（Microsoft Foundation Class）类库编程，有强大的集成开发环境Developer Studio。Visual C＋＋可用来开发各种类型、不同规模的和复杂程度的应用程序，开发效率很高，生成的应用软件代码品质优良，因而成为许多专业程序开发人员的首选。
说起计算机语言的发展，不得不提到一个在今天的计算机世界举足轻重的人物——比尔·盖茨。他以及他推出的Windows视窗系列，引起了计算机界的一次深刻的变革。1990年5月22日，Windows3.0隆重向市场推出，并以每月10万套以上的速度向全球发售，1990年底创下累计100万套的纪录，雄据世界软件排行榜榜首；在新版Windows3.1推出的1992年以前，3.0版的发售量业已达到700万套的天文数字。Windows3.0的确是自MS-DOS后的又一件划时代的软件产品。它构造了一种基于图形的操作环境，在能够“看到”的窗口、图标和按钮等等图形引导下，使过去繁琐的操作简化为鼠标轻轻一点，真有赏心悦目、随心所欲的感觉。它还提供了多任务环境、资源共享、与设备无关等等强大的功能，并率先突破DOS管理下640K内存的森严壁垒。可以毫不夸张地讲，Windows3.0的问世，标志着微型电脑软件技术的又一场革命：60年代从批处理软件转变为交互式人机对话，80年代从字符型转变成图形操作软件。自此而后，PC应用软件将在“窗口”环境里重新孕育重获新生，PC电脑用户将在“窗口”下获得图形界面的巨大享受，程序师将利用“窗口”提供的工具，高效率设计出高质量的各种软件。“窗口”的版本推陈出新，“窗口”的触角日愈伸展，在全世界掀起一股不可阻挡的潮流。一位资深电脑专家激情地指出：“Windows太重要了，称之为‘多媒体的DOS’或‘最终的DOS’，一点也不过分。”之后，微软公司相继推出了更新更高更方便的版本。Windows 9X系列，Windows NT系列……可以说，今天你一提到计算机，人们就会想到Windows。

第三节 今天的计算机
信息处理技术对整个社会的发展影响非常之大。计算机的发明对人类社会的广泛影响完全可以和以往信息处理技术发展的最重要的成就相比拟。在人类历史上，有几次重要的信息处理技术里程碑。第一是文字的发明，它使信息得以在更大的范围内跨越时间和空间传播。第二是算术的发明，它使量化的数字信息被加工和变换。第三是活字印刷的发明，它使大量信息被成批复制成为可能，让信息真正成为共享资源。第四就是通用数字计算机的发明和后来的高速通信网络的出现，它们使得高速的信息传播和加工以及变换成为可能。可以说，第一次工业革命（以各种“能量形式”的相互转换和利用为标志）后，社会形式向更新方向发展的重要标志之一，就是计算机的出现。
3.1 计算机的应用领域
从计算机出现在这个世界上的第一天起到现在，短短时间内，已经衍生了四、五代子孙。现在，它已渗透到我们日常生活的各个领域。通常，我们习惯按照计算机的基本构成元件来划分计算机的时代，这样的划分方法具有一定的局限性。我们完全可以从计算机的应用和它对社会的影响程度来划分计算机的历史。计算机从诞生至今的50多年大致可以分为两个阶段。在前一个时期，大约是40年代末50年代初到80年代中期。这一时期的计算机体积庞大，价格昂贵，只有政府部门、大企业和大学的重要研究单位才会购买，并且只有少数专业人员才能够使用，而广大平民百姓根本没有机会去接触它。在这种环境下，用计算机来进行信息传播和加工利用仅局限于非常小的圈子里。而且造成的严重后果是计算机规模越大，价格越昂贵，它所管理的宝贵信息资源只能集中在越少数的“中心”里，无法形成开放性的，大规模的信息利用局面。
直到80年代中期微型计算机出现后，计算机才开始走入平常百姓家，开始它的成熟时期。关于计算机的重要应用，可以从以下这几方面体现出来。
科学计算
科学计算原义是数值计算，指用于科学研究和工程技术中提出的数学问题的浮点计算，
它是电子计算机的重要应用领域之一[2]。世界上第一台计算机就是为了科学计算而研制的。随着科学技术的发展，各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已远远无法满足研究的需要。特别是在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域，都需要依靠计算机进行复杂的运算。科学计算最大的特点，就是运算量大，数值变化范围大。现今科学计算的概念已经覆盖了符号和代数计算，如合并同类项、分解因式、求导数和原函数、解方程或方程组等等。用于符号和代数计算的软件叫做“计算机代数”系统。
数据处理
数据处理是指对大量的数据进行分析、合并、分类、统计等处理，以形成有用的信息。与科学计算不同的是，数据处理虽然涉及的数据量比较大，但是计算方法相对简单。
人类在很长的一段时间内，只能靠自身的感官去收集信息。例如一些古老的故事和传说，都是通过口授记忆的方式一代代传下来。后来文字和纸诞生后，信息就依借文字和纸张的记载流传下来。但是这样的信息查阅起来异常复杂和麻烦，甚至要通过学习一些特定的方法和手段才能查到，速度非常之慢。在人类进入工业社会后，为了处理好日益堆积起来的浩如烟海的信息，全面深入的掌握这些信息所反映的事物的本质，就必须用计算机进行处理。现在，办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等都要用到数据处理。数据处理，已成为计算机应用的一个重要方面。
过程控制
过程控制又称实时控制，指用计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制[2]。
现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，因此对实现生产过程自动化控制系统的要求也日益提高。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性。冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门已经广泛的使用计算机控制过程。
计算机辅助系统
计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。
CAD（Computer-Aided Design），也就是计算机辅助设计，就是用计算机帮助各类人员进行设计。现在，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等都已开始使用计算机进行。采用计算机进行辅助设计，不但降低了设计人员的工作量，提高了设计速度，最重要的，是它提高了设计的质量。特别是后来3D技术的出现，使得设计人员可以通过仿真模拟显示，预先检验实际的设计效果，减少了很多不必要的浪费。也使设计人员能及时发现设计上的漏洞，从而进行修正。
CAM（Computer-Aided Manufacturing）——计算机辅助制造，是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。通常，在产品的制造过程中，利用计算机来控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。CAM技术可以大大提高产品的质量，降低产品的成本，缩短生产周期，降低工人的劳动强度。近年来这项技术已经发展为集成度更高的CIMS（Computer Integrated Manufacture System），即计算机集成制造系统。
CBE（Computer-Base Education）——计算机教育。它包括：计算机辅助教学CAI（Computer-Assisted Instruction），计算机辅助测试CAT（Computer-Aided Test）及计算机管理教学CMI（Computer-Management Instruction）。特别是最近几年，计算机辅助教学CAI正在如火如荼的进行之中。众多的软件公司、大学的研究机构、中小学教育部门和众多的教师，都参与到其中来。CAT也在近几年得到了长足的发展，特别是在一些标准考试中，例如GRE的考试。考生用自己的帐号（也就是我们平常考试中的准考证）在计算机上阅览试卷，通过鼠标和键盘做答。答完后，通过网络提交试卷。这样就能当场知道自己的考试成绩。这样的考试方法，不仅方便快捷，而且节省了大量的人力和物力，是未来考试方式的发展方向之一。同时，随着网络技术的进一步发展，网上教学和远程教学也发展起来，极大的满足了人们继续求学的欲望。
人工智能
人工智能又称为AI（Artificial Intelligence）,一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。AI是目前计算机应用研究的前沿学科，科学家们正致力于研究怎样让计算机变得越来越聪明。研究人员希望通过在计算机中存储一些基本的定理和推理规则，然后让计算机自动弹出解题的方法和答案。
信息高速公路
1992年，当时的美国参议员，后来一度任美国副总统的戈尔，提出了建立“信息高速公路”的建议。即将美国所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络，将所有的公司和家庭都连接到这个大网络中去，以实现最大程度的资源共享。1993年，美国正式宣布实施“国家信息基础设施”（NII）计划，也就是我们常说的“信息高速公路”计划。这个计划一经推动，就引起了全球的关注。世界各国也纷纷开始开展自己的“信息高速公路”计划，积极加入到这场世界范围的大竞争中去，我国也不例外。
面对这场日益向深度和广度发展的信息浪潮，我国政府成立了国家经济信息化联席会议，党的十四届五中全会又把“加速国民经济信息化进程”写入了“关于制定国民经济和社会发展九五计划和2010年远景目标”的建议中，把信息产业的发展摆在了最突出的位置。
3.2 计算机与网络
信息技术的飞速发展使网络已经遍布世界的各个角落，并影响着社会生活的方方面面，人们可以称“有计算机的地方就有网络”， 网络本身会成为计算机技术发展的动力，一个以网络为主要特征的信息社会即将到来。“网络就是计算机”不仅是一种经营策略，而且是一种思维理念，近几年来，一些先进的计算机技术的出现和发展正是紧紧围绕这个主题发展起来的。
计算机网络出现的历史不长，但发展很快。世界上第一台电子计算机ENIAC诞生时，和通信间并没有什么大的联系，主要用于科学计算。那个时候的计算机系统是高度集中的。所有的设备都安装在一个独立的大房间中。最初，一台计算机只能供一个用户使用。后来研制出了批处理和分时系统。一台计算机虽然可以同时为多个用户服务，但不和数据通信相结合，分时系统所连接的多个终端都必须紧挨着主计算机，用户必须到计算机中心的终端室去使用，显然是不方便的。
20世纪50年代，美国半自动地面环境SAGE（Semi-Automatic Ground Environment）防空系统开始进行将计算机技术和通信技术相结合的尝试。他们将远距离雷达和其它测量控制设备的信息通过通信线路汇集到一台IBM计算机里进行集中处理和控制。后来，许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，而用户则在自己办公室的终端上键入程序，通过通信线路送入中心计算机，进行分时访问并使用其资源来进行处理。然后再将处理的结果通过通信线路送回到用户的终端上。这样，就出现了第一代的以单个计算机为中心的计算机网络。这样的远程联机系统，除了一台中心计算机外，其余终端都不具备自主处理的功能。这样的计算机网络，称为面向终端的计算机网络。20世纪60年代初，美国航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内的2000多个终端组成的飞机票预定系统SABRE（Semi-Automatic Business Research Environment）就是第一代计算机网络的典型代表。
第二代计算机网络是多台主机通过通信线路互连起来为用户提供服务的方式，即所谓的计算机－计算机网络。与第一代计算机网络不同的是，这里的多台计算机都具有自主处理的能力，它们之间不存在主从关系。第二代计算机网络的典型代表是ARPA网（ARPAnet）。ARPA是20世纪五六十年代冷战时代孕育的产物。1968年6月3日，美国国防部高级计划署ARPA（目前称为DARPA——Defense Advanced Research Projects Agency）正式批准了“资源共享的计算机网络”研究计划。由于该网是在ARPA的组织下进行研究的，所以这个网络又称为“阿帕网”——ARPAnet。我们今天有关计算机网络的很多知识和术语都来自ARPA的研究结果。
计算机间进行通信时，对传送信息内容的理解、信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定，我们将这样的约定称为协议（Protocol）。最早在ARPA上使用的是网络控制协议（NCP）。70年代中期，为完善网络性能，ARPA开始采用TCP（Transmission Control Protocol）/IP（Internet Protocol）（传输控制协议/互联网络协议）。
以ARPA网和英国国家物理实验室NPL的分组交换网为先驱，第二代计算机网络在20世纪70年代和80年代得到了迅猛发展。其中，有研究实验性的网络，如IBM的沃森研究中心，卡内基－梅隆大学和普林斯顿大学合作开发的TSS网，加利福尼亚大学欧文分校研制的DCS网等。还有一些是个别用户为特定目的而自行研制和使用的网络，如加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所建立的DCTOPUS以及法国信息与自动化研究所的CYCLADES网等。也有用户联合为一定范围内应用而建立的网络。如国际气象监测网WWWN（World Weather Watch Network）等。
在采用了TCP/IP协议后，ARPA利用称为网关的网络设备实现了网际互联。形成了“网际网”，真正意义上的Internet出现了。到了70年代后期，第二代计算机网络已经越来越不适应社会的需求。发展新一代的计算机网络就被提到日程上来。1984年，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）制定并颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型（Open System Interconnection Basic Reference Model，OSI/RM）的国际标准ISO 7498 七层模型结构。80年代，以OSI模型为参照，ISO以及当时的国际电话电报咨询委员会CCITT等为各个层次开发了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本标准集。也是在80年代，美国学术科研网络NSFNET取代ARPA，成为Internet的主干网，Internet开始向商业领域迈进。Internet是在原ARPA网的基础上经过改造而逐步发展起来的，它对任何计算机开放，只要遵循TCP/IP协议并申请到IP地址，就可以通过信道接入Internet。Internet（也称国际互联网或因特网）就是一个开放式标准化的网络。
由上面的历史，我们可以发现，Internet最初只是美国政府资助建立的一个学术科研教育网，其目的是鼓励学术界的互相交流与资源共享。当NSFNET向ANSNET转化的时候，Internet向商业化和私有化迈出了第一步。事实上，很多公司使用Internet已经有了相当长的时间，不过仅限于研究开发和工程部门。之后，由于Internet原先制定的限制商业化使用政策发生了变化，一些公司才开始利用Internet来为商业服务，并且还利用Internet来进行商业活动。因此，有人将1994年称为Internet的商业化年。
网络的形式并不是单一的。如果按照网络覆盖的地理范围，我们可将网络分为：局域网、校园网、城域网、广域网、全球网。
局域网LAN（Local Area Network），通常在一间机房内，或相连的几间房间内，或一幢大楼内。校园网CAN（Campus Area Network），校园网可将相近的若干大楼互连在一个网络中，但并不仅限于校园中，也可以用在一家企业的厂区或一个单位的大院内。城域网MAN（Metropolitan Area Network），其作用范围为一个城市，有时也称为市域网。广域网WAN（Wide Area Network），通常在一个国家和相邻的若干国家中，有时也称为远程网（Long Haul Network）。全球网GAN（Global Area Network），通常是指跨洲界、覆盖范围几近全球的网络，因特网Internet就是一个典型的例子。
除了按照网络覆盖的地理范围对网络进行分类外，我们还可以根据网络的物理形状（或拓扑结构）将网络分为：不规则网形、星形、总线形和环形。
我们还可以根据传输信息的物理信道是用什么媒体（Medium）来将网络分为：双绞线网、同轴电缆网、光纤网和无线网等。
如果从网络的使用范围来分，则可以划分为公用网和专用网两大类。公用网是为全社会所有的人提供服务，凡是愿意按规定交纳费用的人都可以使用。专用网则是个别单位和部门，和行业为特殊业务需要而组建的网络。它只供专门人员使用。这一类的网络，可以按照业务工作范围进一步细分为：军事指挥网、政务信息网、气象监测网、情报检索网、航空订票网、教育科研网、金融清算网、铁路调度网等等。
Internet的功能可以归结为资源共享、提供人际通信手段、分担负荷以及协同处理等方面。它所提供的服务主要有：远程登陆到其他计算机，在其上运行程序；在计算机间传送文件；在用户间收发电子邮件；共享消息与新闻以及各种查找服务和浏览服务。
(1)远程登录
Internet通过Telnet功能提供远程登录服务，允许用户通过Internet登录到远程计算机的分时系统中去。用户可以通过本地的键盘和显示器与其它地方的计算机交互作用，控制其上程序的运行。
(2)文件传输
Internet的文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）允许用户将自己计算机上的一个文件的副本传送到异地的计算机上。但一般来说，人们更多的是从异地计算机上获得一个文件副本，传输到本地的计算机上来。连接于Internet上的许多计算机上的一些公用文件，允许用户通过网络登录来访问和获取。用户甚至可以用匿名（anonymous）方式访问。登录口令可以不做要求或以客人（guest）身份登录访问等。
(3)电子邮件
电子邮件（E－Mail）是Internet上使用得最广泛的一种服务。任何用户都可以将存放在自己计算机上的电子信函，通过Internet的电子邮件服务传送到另外的Internet用户信箱中去。这个传送对象，可以是你的朋友、同事、家庭成员等，只要他（她）也是Internet用户即可。邮件可以向一人发送，也可以同时向多人发送。同理，你亦可以收到其他用户发给你的邮件。由于许多计算机网络都提供了一种能与Internet上的电子邮件互通的服务，因而许多不是Internet用户的人也可以通过这些网络和Internet用户互通电子邮件。
(4)电子公告牌与网络新闻
电子公告牌BBS（Bulletin Board System），就是Internet上的电子布告栏。在公告牌上，允许用户“张贴”自己的文本布告，以提出各种各样的问题，查询在使用服务时遇到的问题并得到答案。并且可以浏览其他人所提出的所有问题，以寻找自己所需要的答案。也允许人们在这里针对各种问题发表自己的看法。BBS是一种新型的可以由个人使用的电子出版物。
网络新闻（network news），有时也简写为Netnews，则是Internet上一个重要的电子公告牌服务。网络新闻为具有共同兴趣的用户提供了一种交流思想和观点以及进行讨论的手段。按照兴趣和议题的不同，Netnews还设置了许多新闻组（newsgroup）。Netnews上的许多新闻在世界范围内传播，而有些新闻却局限于局部的范围。如一个国家或者一个组织。用户可以阅读某个新闻组中的信息，也可以自己编辑和发送一条信息到新闻组中。到1994年初，世界上已有超过6600个不同的新闻组。到现在，更是数不胜数了，其内容涉及科学、技术、文化、社会、生活等各个领域。网络新闻和电子邮件中的信息采用的是相同的表示格式。
(5)数据浏览和检索
Internet上的信息浩如烟海，要在Internet上查找某个特定的信息或文件，以及以文件形式存放的程序和软件，并不是一件轻松容易的事。为此，Internet提供了一种专门的服务，可以按照用户给出的名字自动搜索，找到具有该名字的文件存放在哪里。
(6)全球范围的超媒体信息浏览服务
World Wide Web，简称WWW，又名超文本全球信息网。它是目前Internet上发展最快的网络信息服务。各个服务单位只要建立了自己的WWW服务器并和Internet网络连接，就可以共享信息了。WWW信息浏览器是一类软件，他们可以让用户在全球网上浏览图形、声音、图像，甚至是可视图像，也就是我们常说的多媒体信息。Netscape公司的Navigator（导航者）和Microsoft公司的Internet Explorer（简称IE）是目前用于浏览WWW网页的两个著名浏览软件。
3.3 计算机与通讯
20世纪末、21世纪初电脑技术的一个巨大转变是，随着Internet的普及和发展，电脑不再单纯是一种计算工具，而更重要地变成一种通信工具。通信工具的功用是交换数据和信息。在当今快节奏的生活和工作方式下，通信已经是一种随时随地的需求，因此我们很难想象它可以受到时间、空间的阻隔而我们还可以宽容地忍耐。移动计算虽然在今天还不能让我们感到满意，但它的巨大发展潜力和未来的商机却已昭然若现，对此我们没有理由无动于衷。
数据通信和计算机网络正是计算机技术和通信技术密切结合的产物。是应用数据传输技术实现计算机与计算机、计算机与数据终端以及数据终端与数据终端之间的数据信息传递。它的出现，对传统的通讯方式产生了巨大的影响。
数据通信业务是为实现远程信息处理提供服务的。随着计算机的广泛应用和普及,各种具有处理功能的智能设备的日益增多,数据通信的应用范围也日益扩大,典型的应用如文件传输、电子函件、语音信箱、可视图文、文件检索、远程医疗等等,被传送数据信息类型是多种多样的。
数据通信是为了适应计算机之间信息传输需要而产生的一种新的通信方式。网络本质上属于通讯工具
网络技术使人际交往在多样化的进程中迈出重要一步，因为它除了自身的通讯功能外，还能够把自己与传统的所有通讯工具结合起来，从而发挥出意想不到的功能。如电话与因特网结合有了IP电话和网络传输的可视电话。电视与因特网技术结合有了远程视频点播及网上实况转播。网络与传真机结合更有多种方式，最简单的一种便是通过电话线将远程传真机作为自己计算机的远程打印机，通过Word的打印直接将排好版的文件一模一样传到世界各地；还有一种是通过因特网线路将传真转发至目的地。
网络聊天是一种全新的交往方式。双方一般以匿名方式交谈，可以随意把自己扮演成各种角色，无论性别、种族、社会地位。实际上，网上看重的是谈话的内容，至于谈话者是人还是狗都无关紧要，因此在网上交谈不必太当真，某人表现得宛如二八少女，实际上可能是一个干瘪老头。网络交往使通讯过程出现“虚拟主体”，这对人际交往产生革命的变化。比如大公司在网上对客户实施服务，客户感觉总是公司的最优秀职员或者经理在对自己服务，而且每次都是那么客气（实际上相当多是套话，每次自动拷贝上去的，不必太动情）。现代社会运行节奏变化相当快，越来越多的人不同程度患有心理障碍，在很多情况下需要找一个倾诉对象。而到现实心理诊所治疗多有不便，这时网络虚拟的“知心姐姐”、“知心哥哥”可以发挥作用。虚拟主体可以针对心理疾病患者的特点，投其所好，对症下药。当然，“虚拟主体”也产生了许多伦理道德问题。
使用网络交往的最主要方式还是电子邮件和文件传输，由于现在的电子邮件可以以附件的形式传输各种文件，这两者实际上可由电子邮件一种方式完全代替。在发达国家，约有半数人上网，而上网者平均每天收到五封以上电子邮件，要主动发送三封以上电子邮件，而这一切并不需要花费很多时间。多数电子邮件十分简单，只有一行字或者只有一两个字。写电子邮件也不必拘泥于形式，任何一种写作方式都是可以接受的，通常信中夹杂许多约定俗成的简写（如you 用u代替，four 和for 用4代替）。当你阅读完一封邮件后，还有疑问，可以简单地回复一下，请求予以解释。这是一种非正式的沟通方式，但人们在商务或者其他事务性工作中也往往利用这种特点，双方事先非正式地联络一下，多次试探对方的可接受程度，以便最终达成协议。这是其他传统通讯方式无法做到的。
3.4 办公及管理
计算机的诞生，对人类的生活产生了深远的影响，并且正在改变着全世界的生活方式。这种改变，最直接的体现在办公方式上。
首先，是我们的办公室不再像过去那样，堆满了文件夹和档案夹，也不再有各式各样的文件稿纸。更不需要一个专门的秘书来打理这些庞杂的文件。计算机已经取代这些过时的办公设备，并将他们融为一体。那些文件夹和档案夹变成了计算机里的一个个文件，用户需要的时候，只要输入相应的文件名，就可以找到想要的文件。就算忘了文件名也没有关系，还可以根据存储路径来查找相应的文件。计算机还提供了大量的文件撰写软件，用户可以直接在计算机上编写所需要的文件。编写好后，可以通过Internet将这份文件传送到各个部门，省时省力。如果需要将这份文件述诸于纸张，还可以将它打印出来。这样的文件标准、美观，并且极大改善了纸张浪费的情况。同时，办公的效率也大大的提高了。
特别是70年代个人计算机出现后。有了个人计算机，就可以不必用打字机打信件，不必用复写纸写出这些信件的复件。企业和政府部门可以安装个人计算机，用文字处理软件来生成这些信件，并用连接到计算机上的打印机打出所需的复件。
对财政部门来说，个人计算机代替了计算器和累加器，也代替了原来繁复的财务表格。财务部门只要用“空白表格程序”就可以进行数值计算，并可以自动套用计算公式。用户只要输入新的数据就可以了。所有的计算将由程序自动完成。
原来政府部门和很多企业中还有资料室和设备科。现在，完全可以用计算机建立数据库来保管这些信息记录。这样无形中就节省了不少额外开支。
六七十年代，管理信息系统蓬勃发展起来。管理信息系统是用于生成管理报告的应用程序，可以协助经理们完成日常工作，处理、分析数据，以确定企业的进展情况。管理信息系统甚至能够回答厂家是否生产了足够的产品以满足计划需求的问题。到了七八十年代，出现了决策支持系统，它能够把管理报告的概念扩大到支持做出决策的各个方面。决策支持系统可以用来解决诸如是否有必要建立一个新工厂的问题。在决策支持系统的基础上，又诞生了专家信息系统。决策支持系统根据现有的数据提供扼要的信息，管理当局能够根据这些信息较好的做出决策。专家信息系统则能提供各种可供选择的决策方案，并列出影响这些方案执行的所有因素。到了90年代，联机事务处理系统开始成长壮大起来。它能使商务一经开始便能很快完成。联机事务处理系统与原来的两个系统相比，最大的特点就是它是一个实时处理系统。它能够根据客户的要求，自动调整生产计划。它使公司的决策支持系统能更准确地反映当前的营业状态。
在这些信息管理系统的帮助下，企业能在原有的基础上提高产品和服务的价值，能够带来竞争优势。有了信息管理系统，还能改善企业内部的通信，提高效率和生产力。在生产过程中，如果不生产销路不好的产品，那么畅销产品的产量就能提高。你还可以在信息系统的帮助下，根据生产需求选择适当的劳动力，从而降低成本。有了以上这些因素，就能改进财务决策，以减少投资失误率。
系统正在代替人力从事办公室的各项工作，从简单的收发邮件直到复杂的公共管理，办公自动化已成为未来的发展趋势。现在，作为一名管理人员，必须学会使用计算机。因为几乎所有的事务，都记录在计算机中，并通过计算机和网络进行处理。计算机的介入，使得传统的办公方式开始动摇。过去困扰经营者的场地、办公室以及各种办公设备和办公用品将会逐渐成为过去。所有的事情，包括会议、决策等等，将依赖于一台小小的电脑完成。经营费用的减少，将使经营者能有更多的余力投入到生产中。
用计算机代替人进行管理，将极大的减少人为因素对生产和决策的不良影响，使得管理过程能够进一步透明化和规范化，也能使生产不再耽于人事。目前，计算机已经涉及到质量管理、风险管理、时间管理、成本管理、采购管理、人力资源管理、通信联络管理等方面。
3.5 电子商务
90年代Internet进入商业领域后，就有如星火燎原一般，迅速席卷全球。网络正逐渐成为新的商业环境，一个新的商业名词——电子商务（Electronic Commerce，简称EC）开始蔓延在世界各个角落。
从狭义上说，电子商务是指在Internet上进行的交易活动，包括通过网络买卖产品和提供服务。这里指的产品，可以是实体化的，如汽车、衣服、手表等。也可以是数字化的，如新闻、录像、电影、软件等基于知识的产品。此外，还可以通过Internet提供各种服务，如安排旅游、远程教育等。从广义上来说，电子商务不仅包括通过Internet进行的网上商业数据交换和电子交易，还包括政府职能部门提供的电子化服务、电子银行、企业协作等。
电子商务与传统的商务有很大的区别。但仍可像传统商务那样，将其划分为合同谈判和支付及货物运送两个阶段。从严格意义上讲，一个完整的商务过程都应包括这两个阶段。但是由于各方面的原因，目前的电子商务活动还不能在网上进行支付和货物运送。所以，可以将电子商务划分为两大类。
第一类：非支付型电子商务
非支付型电子商务，即不进行网上支付和货物运送的电子商务。在这种类型的电子商务中，只有物质和信息的流动，没有资金的流动。其内容包括：信息发布、信息查询、在线谈判、合同文本的形成等。我国目前的电子商务系统大都属于这种类型。
第二类：支付型电子商务
支付型电子商务，即进行网上支付和货物运送的电子商务。支付型电子商务中，既有物质和信息的流动，也有资金的流动。它除了包含非支付型电子商务的全部内容外，还包含了资金的流动。
然而这种商务系统中有一个问题亟待解决，那就是电子签名的合法性。在传统商务中，各种合同都需要交易双发的亲笔签名，法律只承认亲笔签名的合法性。而在电子商务活动中，交易双方只在合同上进行了电子签名。建立电子签名的合法性和有关法律规章，就成了当务之急。电子商务在我国也得到了一定程度的发展。以“湖南省电子商务系统”为例。
“湖南电子商务系统”是湖南邮电、中国银行湖南支行、中国农业银行湖南分行和IBM联手推出的全国首套基于SET（Safety Electronic Trade，安全电子交易）的电子商务系统。这个系统采用了全套的IBM电子商务产品，包括商业服务器、电子身份证发放机制、电子钱包和支付网关。在经过了一段时间的测试后，目前已正式投入运行。在这个系统上，交易双方除了可以进行最基本的商品查询，以及进一步的合同谈判之外，还可以在通过身份认证后，通过银行进行网上支付。
在世界上，电子商务的发展势头更是锐不可挡。目前，全球的Internet用户数量已超过了1.8亿。如此巨大的用户市场，意味着巨大的商业机遇，它为全球电子商务的发展储备了丰厚的潜在利润和现实利润。
例如，美国戴尔（Dell）电脑公司每天通过Internet直销的PC机价值超过了1000万美元。1998年的网络销售额比1997年增长了3倍。思科（Cisco）公司在中国的业务有80％是通过网络进行的。在全球范围内，Cisco每天接到的网上订单达2800万美元。Intel公司也不甘落后。1999年，它在其Web页上的月销售额达到了10亿美元，相当于该公司总销售额的40％。电子商务将在全球经济中扮演越来越重要的角色，电子商务、数字经济，将推动21世纪世界经济的持续增长。
3.6 人工智能
计算机是二十世纪人类最伟大的发明之一。从它诞生的那一天起，科学家们就一直致力于让计算机变得更聪明，努力让计算机能读会写，能听会说，让它能够像机器解放人的手脚那样解放人的头脑。1968年，“丹觉尔”智能软件研制成功，它可根据化学规律比人更快的推算出化学物质的分子结构。1972年投入研制的医疗专家系统，可以代替医生从事药物治疗。之后出现的“艾伦”，是世界上第一个能够自行创作的“机器画家”，并且，它的作品广受欢迎。
在提高计算机的“智能”方面，最广为人知的，就要数国际象棋领域的人机对抗事件。1988年，由IBM公司研制的，第一台达到国际特级大师水平的计算机“深思”，虽然在1994年与国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫的对垒中失败，然而却给对手造成了很大的压力。到了1997年，在“深思”的基础上改造的“深蓝”，再次向卡斯帕罗夫发出挑战。
在前五局比赛中，卡斯帕罗夫首先拔得头筹。紧接着“深蓝”扳回一局。之后的3局，双方连续战平，各积2.5分。因此，最后一局比赛就成了关键所在。在最后这局比赛中，“深蓝”执白以王兵开局。卡斯帕罗夫依然采取稳扎稳打的战略，构筑防线，背水一战。然而卡斯帕罗夫有步棋走错了，“深蓝”执白抓住时机，赢得了先手。到了第十八步之后，卡斯帕罗夫再也无心恋战，投子认输。
“深蓝”由IBM技术人员历时六年研制完成，凝聚了世界上最尖端的计算机技术。它带有256个能在一台RISC系统/6000型计算机上同时运行的处理器。它的运算能力是“深思”的1000倍。它可以在3分钟内对500亿步棋进行分析并做出选择。“深蓝”计算机设在纽约约克敦海茨的沃森研究中心，它利用互联网向设在192千米之外的费城对弈现场的一台RISC系统/6000计算机发出行棋指令。
“深蓝”计算机是通过计算速度和对棋局的分析下棋，而不是通过模仿人脑来下棋。“深蓝”程序中带有一个收集了20世纪各国著名国际象棋大师所下的数千个棋局的数据库，还储存了10亿个棋谱。下棋时，每秒搜索2亿个棋步，并从中找出最有利的走法。“深蓝”还融入了专家系统、自主学习等人工智能手段。它的胜利，标志着智能计算机的研究跨入了一个崭新的阶段。
“深蓝”的胜利显示，虽然机器使用的策略和人脑想出的策略有很大的不同，但同样有用。卡斯帕罗夫在赛后这样说道：“如果你与机器下棋，特别是与它比赛，你很难不相信‘深蓝’是有智慧的。因此，我们必须同意，解决智力问题，不一定要依靠人脑的特殊结构。”
其时，卡斯帕罗夫的这个问题早在半个多世纪前，就已经在图灵的《计算机与智力》一文中提出来了。文中提出的“图灵测试”的概念，就是测试者通过提问的方式来分辨隐藏在幕后的测试对象是否是人。IBM 公司的“深蓝”电脑将世界冠军卡斯帕罗夫降服的情景人们至今还津津乐道，那么电脑能否与人像老朋友一样十分投机地聊天呢？随着人工智能技术的不断发展，每年一度的英国科学周推出的智能对话软件模仿真人的水平也越来越高，去年前来参加这项聊天活动的网虫们有六分之一被蒙骗，今年推出的“阿莱克斯”就达到了27％的欺骗率。最滑稽的要数那名和三台参赛电脑一起躲在幕后的那位真人了，有37％的网虫硬说这名来自某大学的高才生是台电脑，真可谓真亦假时假亦真，让人哭笑不得。
这样看来，如果我们将允许提问的范围严格加以界定，那么能够通过“部分”图灵测试的智能计算机是完全可以研究出来的。这样的方法应该也适用于智力劳动的机械化。
众所周知，推理是智力的一项重要内容。特别是对于数学一类的基础学科，推理可以说是构成学科的主体。机器证明是用电子计算机来完成数学命题的证明，它是现代数学中一种新兴的边缘性学科，是现代人工智能发展的一个重要方向。但是，要想用一台计算机全面取代这样一种复杂的劳动，在短期内来说，是很不现实的。我们只能利用“分块蚕食”的方法，在各个不同领域的相对狭小的范围内，逐步用计算机推理取代人的部分智力劳动。我国著名数学家吴文俊先生就在几何定理的机器证明中取得了突破性进展。1977年，吴文俊[3]提出了针对“等式型”命题（即假设和结论中都不包含不等式的命题）的判定算法，是这一领域的重要突破。他证明了初等几何一类主要定理的证明可以机械化；1980年，他还用一部微机在20和60个机器小时左右分别发现了两个几何学的新定理，引起学术界的关注。从手工证明到机器证明，是数学思想方法的重大飞跃。将这种方法应用于初等几何的等式型命题，判断效率很高。这种方法的成功推动了世界范围内机器证明代数方法的研究和发展。之后不久，张景中[4]及其合作者就推出了以面积、勾股差等几何不变量为工具的消点法。这种消点法，既有很高的效率和相当于吴文俊方法的覆盖面，又能够由机器自动生成较接近于传统证明的“可读证明”。
“可读证明”，即人能够理解并能运用人工检验的证明。近期，张景中等人将这项技术成功的应用于教育软件系列《Z＋Z智能教育平台》中。这套软件，完全不同于一般的题库或课件，它具有较高的解题智能，能够解答学生提出的一般问题，帮他们做一些比较机械的工作，使他们有时间和精力做更具创造性的工作。例如这一系列软件中的《平面几何》[5]平台，除了可以具有一般的文本处理功能和一般的多媒体处理功能外，还具有面向学科的动态构图功能。教师可以方便的在屏幕上绘制出与学科知识有关的几何图形，并赋予这些图形与学科知识相联系的属性。这些图形能够在保持其属性的条件下运动、改变、复制、分解和组合。此外，还可以追踪图形变化过程中的轨迹，对图形所代表的元件属性进行动态的模拟测量。最重要的一点，是它具有问题生成、自动求解、交互推理的功能。并且这个证明过程是完全可读的（如图9.12）。左边是在《平面几何》的作图窗口中作出的图形，右边则是证明窗口中自动给出的整个证明过程，包括已知条件和待证结论。这是一个典型的等式型几何机器证明。
除此之外，1994年，杨路及其合作者实现了第一个非欧几何定理证明自动生成的算法和程序。用此程序迅即产生了100多个非欧几何定理的可读证明。其中半数以上是从未见过或未被证明的，从而改变了已有的各种证明器只能证明已知事实的局面[6]。
然而以上这些仅适用于等式型命题。近期，杨路提出的“降维算法”及其用MAPLE开发的软件“BOTTEMA”，则为缩短等式型和不等式型定理的机器证明的算法差距做出了努力。这个软件主要是针对O. Bottema的《几何不等式》一书中提出的几何不等式编写，同时，它也适用于初等代数不等式。在一台奔腾Ⅳ/1500机上用此软件验证该书中100个基本的几何不等式（并给出可读证明）总共用时仅4秒多钟。
3.7 计算机犯罪
科学技术是一面双刃剑。火药、原子能的发明发现，最初都是以为人类服务，减少艰苦卓绝的手工劳动和提高生活质量为前提的。然而后来，由火药衍生出来的枪炮炸药，以及由原子能衍生出来的原子弹，却给人类社会和地球带来了无穷无尽的灾难。基于这些技术的两次世界大战，成了人类历史上最黑暗，最痛苦的一页回忆。据说，现在地球上各国所储存的核弹头，足以把地球彻底毁灭几次。今天我们脚下的地球，仍然没有因为这些技术的诞生而更适于生存。人类始终无法摆脱“科学技术具有双重作用”这条规律的制约。
福兮祸所倚，祸兮福所伏。计算机从1946年诞生的那一刻起，就在不停的为人类造福。然而世界上第一起有案可查的计算机犯罪即发生在1958年。可以说它是与计算机一同成长的。
1964年，美国德克萨斯仪器自动化计算公司的一名程序员私自复制了公司的49个计算机程序，并企图以500万美元的价格向外出售。1979年，美国计算机专家里道夫通过银行的计算机系统，把他人的1000万美元存款转到了自己的帐户上。美国洛杉机威尔福格国家银行一名业务经理利用在计算机终端上开空头支票的方法，到1981年1月为止，两年内共贪污了2100万美元。同年，日本三和银行一个职员利用工作之便，向自己私开的4个帐户各拨出3000万日元，并携款潜逃。1986年，前西德的4名犯罪分子利用计算机系统，操作和修改信用卡的磁带密码，非法获利10万马克。像这样的事举不胜举。根据英国的一个不完全调查表明，约20％以上的计算机用户遭遇过侵害，平均每起损失约7万美元。另外，据对120家大型机构和公司的一项调查表明，有一半以上的诈骗案是借助于电脑作案的，平均每年每家公司被诈骗的损失达517万英镑。然而令人惊心的是，其中只有不到一半是侦破的，而其它一半以上是偶然发现的。
互联网是没有国界的大网络，计算机犯罪的损失额是常规犯罪的几十到几百倍。利用计算机作案的罪犯，就像幽灵一样潜伏在你身边，让你防不胜防。最早出现在网络上的传统犯罪是盗窃，随后，诈骗、恐吓、敲诈勒索、赌博等各类传统犯罪纷纷开始渗入网络。特别是色情行业，也开始瞄准网络，猖獗发展起来。我国的网络犯罪情况也不容乐观。据公安部公共信息网络安全监察局副局长顾建国分析：去年（2001年），利用计算机网络制作、复制、传播色情、淫秽物品的案件十分突出。有些犯罪分子利用互联网络出售色情光盘，有些非法提供色情网络连接，有些干脆直接设立色情网页……这其中的绝大部分均是以营利为目的的。这一类型的案件去年总共立案2000余起，几乎占所有案件的一半。
黑客也是网络安全的致命所在。然而早期的黑客并不等同于罪犯，“黑客”一开始有“恶作剧”的意思。他们更多的是被认为是无害的探险者。他们的所作所为主要是为了要证明：通往计算机的道路不只一条，所有的信息都是免费的，打破计算机集权，在计算机上创造艺术和美，计算机将使生活更美好等。就连著名的比尔·盖茨也曾经有过“黑客”行径。当年，比尔·盖茨只有13岁，但已拥有了将近一年的“机龄”。在他当时就读的湖边中学，有一个电脑中心公司（CCC）利用租来的DEC公司的PDP－10计算机提供的计时服务终端，然而费用却比较昂贵。比尔很快发现了PDP－10内保存的各种程序。每当公司推出一个新的软件，他就与同学闯进去大闹一番，并最终突破了PDP－10的防御系统，进入到CCC公司的财务档案中去。并且从这些档案记录里找到了他们所用电脑的计时帐单，然后更改了帐目，以便减少自己的租金。正当比尔和他的朋友们为自己的“创举”得意洋洋之时，CCC公司发现了他们的恶作剧。这位未来的“世界首富”只好垂头丧气地走进校长办公室，接受“6星期不得接触电脑”的惩罚。然而到了80年代，新一代的黑客却彻底改变了原来黑客的性质。黑客，变成了电子窃贼的代名词并成为公众眼中阴险恐怖的侵略者。
1988年11月2日下午5点1分59秒，计算机世界又多了一项令人不安的因素——病毒。当时那个名叫“蠕虫”的计算机“病毒”突然发作，致使15.5万台计算机和1200个连接设备突然进入休克状态。所谓的计算机“病毒”，其实是人们对一种能够破坏计算机正常工作的特殊软件程序的形象称呼。它能篡改正常运行的计算机程序，破坏这些程序的有效功能，并能够复制和侵入其他有用的程序。计算机“病毒”的破坏性给了军事电脑专家以新的启示，美国国防部开始研究“计算机病毒”的军事用途，并希望能够利用“病毒”来进行一场“计算机战争”。目前，全世界已发现的计算机病毒已超过上万种。计算机病毒已经在世界范围内造成了极大的危害，可以毫不夸张的说，病毒就在你身边。人们现在已经到了风声鹤唳，谈毒色变的地步。据国外有关报道，1990年1月，每6天发现一种新病毒；半年后的6月，缩短为4天；到了同年的9月，则只需3天。现在，每天约能产生5～7种新的病毒和原有病毒的变种。计算机病毒已成为现代文明社会的一大公害，人类将不得不与这种公害做长期的斗争。
基于上述种种原因，2001年11月8日，欧盟理事会的43个成员国就共同打击互联网上的犯罪问题达成一项协议，并准备正式签署打击网上犯罪的国际公约。这是迄今为止非单一国家制定的第一部反网络犯罪的国际性公约。该公约明确规定了网上欺诈行为以及在国际互联网上向未成年人传播色情内容的行为均属网上犯罪之列，并明确了欧盟理事会各成员国在共同打击网络犯罪中的责任。这份名为《电脑犯罪国际公约》的协议于当年11月23号在欧盟成员国部长级会议上签字和正式通过执行。它将网上儿童色情描绘、欺诈和黑客攻击行为定为犯罪行为，它为如何管理互联网提供了准则。
我国也正在积极立法应对网络犯罪。1997年刑法修订后的第285、286、287条明确了对计算机犯罪的刑事惩处。刑法第285条规定了“非法侵入计算机信息系统罪”，对非法侵入国家事务等计算机信息系统的罪犯，处3年以下有期徒刑或拘役。第286条规定了“破坏计算机信息系统罪”，对计算机信息系统功能进行删除、修改、增加、干扰，或者故意制作、传播计算机病毒等破坏性程序，影响计算机信息系统正常运行的罪犯，可处5年以下有期徒刑或拘役；后果特别严重的，处5年以上有期徒刑。第287条，则是对利用网络进行传统犯罪的规定：“利用计算机实施金融诈骗、盗窃、贪污、挪用公款、窃取国家秘密或者其他犯罪的，依照本法有关规定定罪处罚。”
除此之外，世界各国正直的计算机专业人士纷纷投入到防范和侦破计算机犯罪的工作中来，各种杀毒软件和反黑客手段应运而生。同时，其他专业的专家和技术人员也开始加入到同计算机犯罪作斗争的行列中来，新的反犯罪技术正源源不断的产生。我们有理由相信，随着反计算机犯罪技术的不断提高，终有一天，计算机犯罪这个“毒瘤”终将被制服。

第四节 计算机的未来
计算机、网络、通信技术一体化的未来社会，将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类和社会更大的生存和发展自由。当历史的车轮徐徐驶入21世纪时，我们会面对什么样的计算机呢？
人们预测，到了2003年，人们可在家通过电子手段随时随地的选择自己最喜欢的电影、电视剧、体育和其他形式的娱乐节目。2004年，工业化国家将普遍通过可视网络举行业务会议。2005年，个人计算机将具有电视、电话、交互式图像传输等功能。2006年，供家庭使用的具有交互式电视、电话和计算功能的娱乐中心将投放市场。2007年，利用分子键存储数据的“生物芯片”将投放市场；语音、手写字体和光学识别特性将使普通的个人计算机能与人交流；大部分书籍和出版物通过网络发表。2008年，发达国家80％的人口将进入信息高速公路。2009年，包括电子货币在内的电子银行业务将取代纸币和支票，成为主要的支付手段。2012年，计算机可用来进行实时语言翻译，其准确性和速度能满足有限交流的需要。2014年，使用光子而不是电子处理信息的计算机将进入商业领域。2015年，计算机开始由使用并行处理器的神经网络执行。
80年代计算机集中于性能的竞争，90年代计算机集中于价格的竞争。进入21世纪，计算机将集中于方便化、随身化的竞争。人们为了能够随时随地的使用计算机，从开发膝上型计算机开始，继而开发出了笔记本型计算机乃至掌上计算机。掌上计算机进一步的发展，产生了无键盘式计算机（如图9.12）。无键盘微机是一种用电笔在屏幕窗口书写输入命令的微机。这种微机屏幕的表面，镀有一层防止划痕的电子传导层（即氧化物锡锑薄层），当与电笔接触时，就会使其一电路开通，能测定笔尖运行的走向、距离和角度。然后，由坐标系统对这些数据进行计算、评价和数字编码，再将它们与事先设计的成千个模式作比较。一旦发现与待识别字符最相像的那个模式，微机内的操作系统即对之进行存储和处理。操作这种无键盘式计算机，就像我们平时使用纸和笔一样方便。更有人异想天开，想将计算机穿在身上。美国甚至还在2001年10月的时候举办过一次可穿戴的计算机时装展。将来某一天，我们就能像今天用随身听欣赏音乐，用移动电话进行联络一样，将计算机带着到处走，随时随地的工作、上网冲浪。
神经网络计算机
此外，人类神经网络的强大与神奇是人所共知的。将来，人们在研究人体神经系统结构和功能的神经生物学家及神经解剖学家的帮助下研制出数学模型，然后制造能够完成类似人脑功能的计算机系统的人造神经元网络。至此，计算机将获得真正的人工智能。神经元计算机比较有前途的应用领域是国防。它可以识别物体和目标，处理复杂的雷达信号，决定需击毁的目标。神经元计算机的联想式信息存储、对学习的自然适应性、数据处理中的平行重复现象等性能都将异常地有效快捷。
量子电脑
还有人预测，到2030年，我们将用上新一代的量子电脑。到那时，我们桌上的计算机主机不再使用芯片与半导体，而是充满了液体。它应用的不在是我们所熟悉的物理定律，而是玄妙的量子理论。量子计算机的运算速度可能比日前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍，它可以在眨眼之间搜寻整个国际网络，可以轻易的破解任何安全密码。2000年8月15日，华裔科学家艾萨克·张向各国专家展示了迄今最尖端的“5比特量子电脑”，并初步验证了量子计算技术的超凡魔力。量子电脑是利用原子所具有的量子特征进行信息处理的一种全新概念的计算机。它以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，其运算能力比目前以微型晶体管电路为基础的传统计算机快几亿倍！尽管量子电脑的研制工作现在还处于十分原始的阶段，但人们坚信量子电脑终将取代传统模式的计算机，从而开创信息时代的新纪元。
超导计算机
除此之外，计算机正朝着其他多元化的方向发展。其中有超导计算机。这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。以目前的技术制造出的超导电脑用集成电路芯片只有3～5立方毫米大小。
光子计算机
也有科学家致力于光计算机的研究。光计算机是利用光作为载体进行信息处理的计算机，其运算速度将比普通的电子计算机至少快1000倍。光计算机靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列中来对信息进行处理的。与计算机相似之处是，光计算机也靠一系列逻辑操作来处理和解决问题。计算机的功率取决于其组成部件的运行速度和排列密度，光在这两个方面都很理想。激光束对信息的处理速度可达现有半导体硅器的1000倍。光束在一般条件下的这种互不干扰的特性，使得光计算机能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，密度大得惊人。一块截面等于5分硬币大小的棱镜，其通过能力超过全球现有全部电话电缆的许多倍。
生物计算机
众所周知，现代半导体大规模集成电路的体积已经小到了1微米，很难再缩小了。自集成电路发明以来，能够集成在单个芯片中的设备数量以及这些设备运行的速度已经有了巨大的发展。1964年，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔博士（G. Moore）注意到一个芯片上的晶体管数量呈几何级数增长，并以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的定律。摩尔天才地预言说道，集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头（1975年，他把翻一番的速度修改为2年）。摩尔所作的这个预言，因集成电路的发展历史而得以证明，并在较长时期保持有效，被人誉为“摩尔定律”，即“IT业第一定律”。到1997年Intel公司推出的奔腾Ⅱ芯片时，集成的晶体管数已超过750万个，运算速度达到每秒5.8亿次。
然而科学家预言，微处理器硅芯片制作技术存在着一个物理极限，1995年高能奔腾处理器的电路线宽为0.35微米，而硅芯片电路线宽的物理极限是0.07到0.08微米，超过极限则光刻工艺难以为继。因此， 摩尔定律描述的增长趋势必然会有中断的时刻。因此，人们开始研究用有机物分子取代半导体的可能性。这样的计算机，我们称之为生物计算机或分子计算机。近年来，随着基因与蛋白质工程、重组脱氧核糖核酸（DNA）技术、聚合物化学、人造膜工艺等相关领域的发展，使这一新兴计算机系统的创立有了材料方法上的保证。
生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的生物芯片构成。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。生物计算机的数字计算逻辑元件和存储元件均是由有机物分子组成的分子电子器。一旦这种分子电子器研制成功，将比半导体器件具有更多重要的优越性。用蛋白质制造的电脑芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通电脑的10亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且运转速度更快，大大超过人脑的思维速度。
生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息的速度也比人脑思维的速度快100万倍。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低，且具有生物的特点，具有组织自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。
生物计算机在未来技术工程中必将引发新一轮的冲击波。在初期阶段，它将作为实现信息同步预处理的敏感器件——传感器使用。科学家和技术人员希望它是能够辨认光学图像、触知和识别固体表面形状、“感知”化学物质梯度及配置的智能传感器
将来，生物计算机可能会进入更为复杂的与数字电子计算机协同运作的模式，承担一部分它们能更有效处理的工作。重要的是，生物计算机还有可能为数字电子计算机附加一些生物功能。
生物计算机并不是遥不可及的。大多数的专家认为，生物计算机必可以在本世纪内研制成功。尽管目前科学家们对于生物计算机的结构还存在种种分歧，但是我们有理由相信，制造生物计算机的技术能力将在未来几年内逐步显示出来。
除了前面提到的生物计算机，人们还寄望研究出一种DNA计算机。研究发现，脱氧核糖核酸（DNA）有一种特性，就是能够携带生物体各种细胞拥有的大量基因信息和物质。科学家们从中得到启迪，正在合作研制未来的液体D N A电脑。这种D N A电脑的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，并通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每个片段就是著名的双螺旋的一个链，然后对问题以新的D N A编码形式加以解答。和普通的电脑相比，D N A电脑的优点首先是体积小，但存储的信息量却超过现代世界上所有的电脑。它用于存储信息的空间仅为普通计算机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的D N A链中，一升的DN A电脑只需几天时间，就可以完成迄今为止所有计算机曾经进行过的运算。其次是最大限量地减少能耗，D N A电脑的能耗，仅为普通电脑的十亿分之一。再者就是功能的强大，它的每个D N A链可以各自进行运算，这意味着，D A N计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。
1998年8月，以色列捷赫尼昂大学的研究人员宣布，他们利用生物学和微电子学共生机理，首次在人的DNA链的基础上制成了一种电导体。这种电导体只有一根头发的千分之一细，为人们制造新一代微芯片开创了无限的发展前景。从理论上来说，DNA分子计算机在几天内就可以完成过去半个世纪中世界上所有计算机曾经进行过的运算，还能解决许多目前计算机不能解决或难以解决的问题。
脑控计算机
现在使用的计算机，一般都是通过计算机键盘或鼠标器输入指令而工作的，另外还有少部分声控计算机。未来，计算机能通过分析使用者思维时发出的生物信号来实现人脑控制。这项技术是从长期被用来诊断大脑疾病的脑电图记录衍生而来的。目前，研究脑电波控制计算机的一个重大挑战是：如何使计算机从人脑电波中分辨人的思维是“是”还是“否”。关键是科学家们目前对脑部细胞就某思想释放出的电荷以及它们之间的关联所知甚少。另外，某个信息可能同时被其他信息所遮盖，这对计算机收集和分析信息造成相当的困难。专家们认为，由于这种实验技术耗资巨大而且非常复杂，很难投入实际应用。他们说完全随人脑反应的计算机的研制还需几十年的时间，也许永远都是科学幻想。但在今后十几年内，有可能开发出比较实际的能帮助残疾人通信或操作一些用具的系统。
能听会说的计算机
在科幻电影中，我们常能看到这样的镜头：主人公和计算机自由的对话，聊天。计算机不仅能按照主人公指示完成各种计算、搜索资料工作，还能适当的提出自己的建议。更有趣的是，它能像人一样插科打诨，还有丰富的情感。被冷落时会不满，会害怕诸如老鼠之类的东西，还会像个老朋友一样唠叨个不停。
虽然这只是电影中的镜头，然而科学家们正在为此做着不懈的努力，并且已经取得了部分成就，这一方面最突出成就之一就要数机器人了。
2002年的暑假期间，中国科技馆展出一个“会说话的机器人”。不过，这个号称万事通的机器人在面对猜测小朋友的成绩时，却只能频频闪红灯来来应对了。日本在这一类型的机器人研究方面可以说走在世界前列。日前，日本电器公司展出了一种外形象胖娃娃的机器人。这个机器人名叫“R100”，具有辨别面孔、说话和服从主人命令的本领。它的外观颜色非常鲜艳，像是一个鸡蛋型的塑胶桶，其头部像是个皮球。它有一张平面、半透明的白脸，一双黑色的大眼睛，眼睛里是两部摄像机。当它脸上亮起一排白灯，就表示它在微笑。在主人说用日语说“再见”时，这个重7.9公斤的有时会拒绝结束谈话，并摇头抗议。如果被搁置一旁，它会利用它的三个轮子四处“走动”、跳舞甚至找人聊天。和人类一样，它对外界环境和指令的反应会随着温度和灯光的变化而不同。如果它接到太多的指令，它甚至会感觉疲倦，到一旁休息。偶尔也会耍耍性子，不听使唤，非常有趣。
不久前，日本的索尼公司推出了一种名叫“艾博”的机器狗。它有18个“关节”，能做250种运动。它能玩球，模仿狗撒尿，以及摇头、晃动身体和抬腿。这种机器狗装有许多传感器，包括彩色像机、热传感器、红外线传感器、触觉传感器、加速和速度传感器以及一个立体声微型话筒。艾博的主人如果想表扬它，可以把手放在它头上一两秒钟。如果重重地拍艾博头一下，就是处罚，它就会开始生气。目前，控制艾博行动的大多数指令要通过遥控，不过声控也开始应用。艾博在日语里的意思是伙伴，它自己能发出多种声音，叫声、说话声，甚至演唱英文和日文歌曲。
除了这些模拟人和动物的机器人外，还有许多能够通过语音进行简单交流的计算机。当然，这一类型的计算机虽然目前性能还不是很完善，智力水平也不高，常常出现答非所问的情况或者重重复复的说一样的话。例如电子导游系统，当你通过电话查询由出发点到目的地的乘车方法时，只要你不放下电话，计算机就会一遍一遍的重复乘车的方法，丝毫不知要停下来，或是给你问话的机会。还有一些聊天软件，常常让人哭笑不得。例如有的聊天软件，当你问它：“你今天感觉如何？”计算机能够迅速回答说：“我今天大脑很兴奋，有很多新想法。”当你再问它：“你能听见我的声音吗？”它就会傻傻的回答：“不，我是个真人。”
虽然目前有些计算机在听说理解方面比较笨拙，但是随着计算机技术的不断发展，我们终有一天能够制造出跟人类一样，具有独立思维能力、也有喜怒哀乐的计算机。不管怎么样，要想制造出具有类似人脑思考能力的电脑来还是一个遥远的事情，人工智能技术专家们要走的路还很长很长。
今天的预言在明天看来也许会非常可笑。不过不管怎样，现实社会已经为我们展开了一幅美丽的画卷。在可以想见的未来，生活会因为有了计算机而加多姿多彩。谁又能肯定，今天的科幻电影不会是明天的现实。人类社会必将在它的推助下，飞向更高更新的物质文明。

【参考文献】
[1] 电脑与机器人，北京：科学普及出版社，1991年5月，第一版。
[2] 20世界最有影响的IT人物，国内测评(产品与技术版)，2000年1月3号。
[3] 电脑传奇，赛伯时空（http://www . cst21cn . com . cn：81）。
[4] 新科技启蒙，比尔工作室。
[5] 计算机速度大比拼，江苏电视教育，2000年10期。
[6] 电子计算机的发展进入第六代，网上科学馆（http://www. insm . org）
[7] 许卓群，裘宗燕，计算概论，北京：高等教育出版社，1997年7月，第1版
[8] 杨振山，恭沛曾，计算机文化基础－Windows 98 + Office 97版，北京：高等教育出版社，1998年12月，第一版。
[9] 杨路，计算机与智力：推理过程的机械化.广州大学学报（综合版），2001年2月
[10]魏平，计算机犯罪与计算机战争，北京：知识出版社，1998年2月，第一版。
[11]吴兢，网络犯罪不容忽视，人民网，人民论坛，2002年第五期。
[12]美国加州大学柏克利分校著，梅盛普编译，21世纪的信息革命(1),(2),(3)，北京：中央广播电视大学出版社，1997年2月，第一版。
[13]高传善，钱松容，毛迪林，数据通信于计算机网络. 北京：高等教育出版社，2000年7月，第一版。
[14]计算机时代（http://terence4444.myrice.com/future.htm）。
[15]刘华杰，杨致远雅虎的故事，三思小百科（http://OurSci.org），信息科学技术（Info Science & Tech）。
[16]黄烨，电脑的人性化和人性化的电脑，三思小百科（OurSci.org），信息科学技术（Info Science & Tech）。
[17]常见硬件术语大全. 帮你网（http://www. bangni. net），2001年8月10日。
[18]数据通信业务，中国电信姜堰市电信局
（http: //jys.js.cn/telcom/20010227/sjtx.htm）
[19]“CHIP新电脑”两周年，CHIP新电脑，
（http://www.chip-china.com/linkchip/editor/e200204.htm）
[20]计算机与通信，信息化知识，
（http://tlxxb.tl.gov.cn/xxhzs/information/index.htm）
[21]刘华杰，信息网络技术与生活方式，三思小百科（OurSci.org），信息科学技术（Info Science & Tech）。
[22]现代人工智能发展的重要领域——机器证明，网上科学馆（www. insm. org），网络时代，人工智能发展之旅。
[23]Ancient Images，Online. Historic Computer Images
[24]算盘起源之迷，中国历史之迷，故乡（http://www. guxiang. com）－历史－历史之迷－宋代，2000年11月30号。
[25]David Denby .The Abacus：History. Ryerson University，Tue Nov 21 20:07:35 EST 2000
[26]杨骏，世纪发现：从图灵机到冯·诺依曼机，三思小百科（http://OurSci.org），信息科学技术（Info Science & Tech）
[27]姜岩，世纪发现：人工智能，三思小百科（http://OurSci.org），信息科学技术（Info Science & Tech）
[28]向人类智力水平挑战的电脑棋手，网上科学馆（http://www. insm. org），网络时代，人工智能发展之旅。
[29]黄勇 张景中，Z＋Z智能教育平台——平面几何. 人民教育电子音像出版社，2001.5。