2.1.1 计算机技术

计算机技术，泛指计算机领域中所应用的所有技术方法与手段，包括硬件技术、软件技术、应用技术等，它具有较强的综合性特征，不仅自身发展迅速，也极大地带动了多个领域的进步。1946年，世界上第一台通用电子计算机——ENIAC（Electronic Numberical Integrator and Calculator）诞生于美国费城的宾夕法尼亚大学摩尔学院。从名字就可以看出，ENIAC是一个“庞然大物”，拥有近18000只电子管，重量达到近30吨，占地面积约为1500平方英尺[1]，它当时主要用于计算火炮弹道，每秒钟加减运算速度达到5000次左右，单次的弹道计算时间仅为30秒。这台昂贵的电子自动计算机，虽然功能简单、耗电量巨大，但却无疑是电子计算机开发方向的里程碑，开启了人类计算新时代。在它问世后，电子计算机发展异常迅速，并不断更新换代。

电子计算机的每次更新换代都是以电子元件的更新为标志。第一代电子计算机，产生于20世纪40年代～50年代，基本电子元件是电子管，内存储器是水银延迟线。由于电子技术的限制，其运算速度仅为几千～几万次/秒，存储容量也只有几千字节。整体来看，第一代电子计算机的体积大、耗电多、速度低、价格贵，基本只用于军事部门和科研部门。

20世纪50年代～60年代，第二代晶体管计算机出现，晶体管计算机以晶体管取代电子管，内存材料也改为磁性材料。与第一代电子计算机相比，晶体管计算机的体积已经小了很多，耗电量和造价也大大降低，运算速度也达到10万～100万次/秒。

20世纪60年代～70年代，第三代集成电路计算机出现。半导体技术的发展大大促进了集成电路的发展，几十上百个电子元件集成在几平方毫米的基片上。1958年，美国德州仪器公司制造了第一块半导体集成电路。1965年，集成电路计算机IBM-360研制成功。除了电子元件更新为中小规模的集成电路，其存储器也更换为性能更好的半导体存储器，其体积进一步缩小、价格降低、可靠性增强，运算速度达到几十万～几百万次/秒。不仅如此，基于第三代计算机的软件也得到了快速发展，出现了更高级的计算机语言，成为计算机大规模生产应用的转折点。

20世纪70年代中后期，集成电路规模进一步扩大，出现了第四代大规模集成电路计算机，电子元件的数量达到成千上万个，运算速度达到几百万～上亿次/秒，计算机向巨型计算机发展，但此时的巨型指的不是体积巨大，而是运算速度、存储容量等性能更强大。目前我国的巨型计算机拥有量位居世界领先水平，主要应用于高科技领域、尖端技术领域研究。基于微处理器的微型计算机是第四代计算机技术的重要分支，具有更小的尺寸和更低的使用成本，它的出现大大加速了计算机在个体用户的普及和计算机的商业化。

现代计算机的发展基于冯·诺依曼架构，计算和存储功能分别由中央处理器和存储器完成，中央处理器在执行命令前必须从存储器读取数据。这种串行方式在处理海量数据实时分析时往往性能不足，产生冯·诺依曼瓶颈。智能计算机、量子计算机等计算机前沿技术的发展突破了原本冯·诺依曼计算机结构模式的限制，推动了人工智能、专家推理等技术的进步，对人类社会的发展带来了深远影响。

在长期的更迭发展过程中，计算机也形成了相对稳定的系统结构，计算机系统主要由两部分构成：硬件系统和软件系统。硬件系统主要包括主机和外部设备，其中：主机又包括中央处理器和内存储器；外部设备包括硬盘、软盘等外部存储器，键盘、鼠标等输入设备，显示器、打印机等输出设备和其他设备。软件系统包括系统软件和应用软件，系统软件包括操作系统、程序语言处理系统、数据库管理系统和服务程序，应用软件可以分为通用应用软件和专用应用软件。

当前计算机技术性能逐渐增强，已经被广泛应用于科学计算、自动控制、测量测试、信息处理、教育安全、医疗诊断等多个领域，大大降低了人力成本，提高了运行效率，极大地改善了人们的生活方式，已经成为推动国家经济发展的重要动力。