用圖靈機給未來策劃財富的演算法

A. 超級計算機的發展歷史

一、計算機的發展歷史：

1、第1代：電子管數字機（1946—1958年）

（1）硬體方面，邏輯元件採用的是真空電子管，主存儲器採用汞延遲線電子管數字計算機、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓、磁芯；外存儲器採用的是磁帶。軟體方面採用的是機器語言、匯編語言。應用領域以軍事和科學計算為主。

（2）特點是體積大、功耗高、可靠性差。速度慢（一般為每秒數千次至數萬次）、價格昂貴，但為以後的計算機發展奠定了基礎。

2、第2代：晶體管數字機（1958—1964年）

（1）硬體方的操作系統、高級語言及其編譯程序。應用領域以科學計算和事務處理為主，並開始進入工業控制領域。

（2）特點是體積縮小、能耗降低、可靠性提高、運算速度提高（一般為每秒數10萬次，可高達300萬次）、性能比第1代計算機有很大的提高。

3、第3代：集成電路數字機（1964—1970年）

（1）硬體方面，邏輯元件採用中、小規模集成電路（MSI、SSI），主存儲器仍採用磁芯。軟體方面出現了分時操作系統以及結構化、規模化程序設計方法。

（2）特點是速度更快（一般為每秒數百萬次至數千萬次），而且可靠性有了顯著提高，價格進一步下降，產品走向了通用化、系列化和標准化等。應用領域開始進入文字處理和圖形圖像處理領域。

4、第4代：大規模集成電路機（1970年至今）

（1）硬體方面，邏輯元件採用大規模和超大規模集成電路（LSI和VLSI）。軟體方面出現了資料庫管理系統、網路管理系統和面向對象語言等。

（2）特點是1971年世界上第一台微處理器在美國矽谷誕生，開創了微型計算機的新時代。應用領域從科學計算、事務管理、過程式控制制逐步走向家庭。

二、計算工具的演化經歷了由簡單到復雜、從低級到高級的不同階段，從「結繩記事」中的繩結到算籌、算盤計算尺、機械計算機等。它們在不同的歷史時期發揮了各自的歷史作用，同時也啟發了現代電子計算機的研製思想。

三、1946年2月14日，由美國軍方定製的世界上第一台電子計算機「電子數字積分計算機」（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）在美國賓夕法尼亞大學問世了。ENIAC（中文名：埃尼阿克）是美國奧伯丁武器試驗場為了滿足計算彈道需要而研製成的，這台計算器使用了17840支電子管，大小為80英尺×8英尺，重達28t（噸），功耗為170kW，其運算速度為每秒5000次的加法運算，造價約為487000美元。

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1、計算機發明者約翰·馮·諾依曼。計算機是20世紀最先進的科學技術發明之一，對人類的生產活動和社會活動產生了極其重要的影響，並以強大的生命力飛速發展。它的應用領域從最初的軍事科研應用擴展到社會的各個領域，已形成了規模巨大的計算機產業，帶動了全球范圍的技術進步，由此引發了深刻的社會變革，計算機已遍及一般學校、企事業單位，進入尋常百姓家，成為信息社會中必不可少的工具。

2、計算機的應用在中國越來越普遍，改革開放以後，中國計算機用戶的數量不斷攀升，應用水平不斷提高，特別是互聯網、通信、多媒體等領域的應用取得了不錯的成績。1996年至2009 年，計算機用戶數量從原來的630萬增長至6710 萬台，聯網計算機台數由原來的2.9萬台上升至5940萬台。互聯網用戶已經達到3.16 億，無線互聯網有6.7 億移動用戶，其中手機上網用戶達1.17 億，為全球第一位。

B. 對計算機及計算機科學體系的理解

計算機科學與技術的體系
計算機是本世紀最重大的科學技術成就之一，它已成為現代化國家各行各業廣泛使用的強有力信息處理工具。計算機使當代社會的經濟、政治、軍事、科研、教育、服務等方面在概念和技術上發生了革命性的變化，對人類社會的進步已經並還將產生極為深刻的影響。目前，計算機是世界各發達國家激烈競爭的科學技術領域之一。

電子計算機雖然叫做「計算機」，它的早期功能主要也確實是計算，但後來高水平的計算機已遠遠超越了單純計算的功能，還可以模擬、思維、進行自適應反饋處理等等，把它叫做「電腦」更為合乎實際。由於電子計算機功能的飛躍性發展，應用於生產和生活的各個方面，直接和顯著地提高了生產、工作和生活的效率、節奏和水平，在軟科學研究和應用中它也起著關鍵作用，因此它已被公認是現代技術的神經中樞，是未來信息社會的心臟和錄魂。在這種背景下，從對計算機的技術研究，又上升到了對計算機的科學研究，於是，計算機科學逐漸建立起來了。

盡管在1946年世界第一台電子計算機ENIAC就已經問世，但是直到1963年美國斯坦福大學Forsythe教授才引入「計算機科學」這個術語。不過對於它的含義，在不同發展階段的不同背景的人們常持有不同的理解。

D.E.Knuth認為：「我中意的描計算機科學的辦法是把它看作是演算法的學問。演算法是精確定義的一系列規則：指出怎樣從給定的輸入信息經過有限步驟產生所求的輸出信息」。關於演算法的學問，主要涉及研究演算法的理論、執行演算法的機器、描述演算法的語言以及對於具體演算法的分析。這種提法大體反映了50年代計算機硬軟體取得的成就，包括了用物理形式實現的各種計算設備以及演算法、程序和程序設計語言等。然而，僅從這些方面尚未能說明計算機科學的本質。

P.Wegner強調計算機科學是一種「關於信息結構轉換的科學」，他認為「工業革命中起核心作用的是『能量』；在計算機革命中它將被『信息』反取代。」顯然，把計算機科學看作是研究信息結構的表示、變換、傳輸、利用，這是很大的進步。它反映了計算機實踐的信息處理內函，強調了計算機科學的數學統一性。60年代對自動機理論、形式語言理論、運算語義和數學語義理論進行了抽象研究，這些都導致人們把計算機科學作為某種數學模型的抽象演繹來研究。

70年代後，人們又提出計算機科學是計算機工程技術的理論基礎的觀點。例如對軟體工程的理論研究；對知識表示、存貯和利用的研究等。這反映了對創新軟體工藝所做的努力，從而把計算機科學當作技術科學來研究。總之，我們認為計算機科學正是在於尋求一個科學基礎，在這個基礎上可以從事包括計算機設計、計算機編程、信息處理、問題的求解演算法、運算過程本身以及它們之間互相關系的研究。

近年來，人們逐漸意識到「計算機科學」一詞不能概括社會信息化提出的要求。1986年10月在國際信息處理聯合會召開的第十屆世界計算機大會上，Bjoner、Nygaard等人提出用「信息學（Informatics）」代替「計算機科學」的觀點。他們認為「計算機科學」含義過窄，而「信息學」才是在計算機不斷創新的環境中發展起來的，象數學、物理學那樣的基礎科學。這些觀點值得我們充分注意。

事實上，計算機科學的萌發比這一術語在文獻中出現的時間要早得多；它的產生發展都與計算機器的設計、製造、實踐緊密相關。

計算機的發展留下一些明顯的里程碑，人們把計算機分成若干代。不過關於劃代的精確年份尚無一致意見。有人按器件演變來劃分，有人則按第一個十年、第二個十年……來劃分。下面是文獻上最新的劃代情況。

第一代計算機（1951-1958）：硬體上以電子管（1906年發明）為邏輯元件。鑒於ENIAC的使用范圍比較窄，技術上還不能體現一代機的特徵，所以以1951年出現的UNIVAC為標志。該機在1952年總統選舉中通過分析5%選票就斷定艾森豪威爾將擊敗中蒂文森，從而使美國輿論明顯地意識到進入了「計算機時代」。第一代計算機的系統軟體還很少，不得不用機器語言或匯編語言編寫程序。而不同計算機的這些語言又有較大差別。此外，通常只允許一名專業人員操作機器，CPU的利用率還很低。

第二代計算機（1959-1964）：硬體上以晶體管（1948年發明）取代了電子管，機器體積減小而可靠性提高。磁碟開始使用。軟體開始用操作系統和高級語言。因此非專業人員開始使用計算機，除數據處理外也用於過程式控制制。

第三代計算機（1965-1970）：硬體上用中小規模集成電路取代了晶體管，使計算機體積進一步縮小而可靠性更高。操作系統更加完善，高級語言更加實用。數據通信把用戶遠程終端與遠程計算機聯系起來，出現了大范圍網路。

第四代計算機（1971-現在）：進入了大規模集成電路的微處理器時代。微型計算機大量涌現。中大型機也從CPU為中心發展為以存貯器為中心的系統結構，並開發了多處理機系統。軟體技術扮演越來越重要的角色，軟體工程進入實用化。資料庫技術和網路技術都取得很大的發展。

目前，美國、日本、西歐正集中人力物力開發新一代計算機，它將從數據處理轉為知識處理，從存貯計算數據轉為推理和提供知識。

計算機科學理論來源於計算機工程技術，並指導計算機實踐向更高階段前進。

計算機科學的創始人公認為是英國數學家圖靈（Alan Mathison Turing,1912-1954），1936年他提出圖靈機模型。我們知道普通計算機都是一種自動計算裝置，理論上曾提出多種計算模型，其中最有普遍性而且功能最強的模型就是圖靈機。普通計算機的存貯器是有限的，而圖靈機的存貯器是無限的。業已證明普通計算機的計算能力不會超過圖靈機。圖靈機只能計算遞歸函數，普通計算機大量遇到的正是這類函數。但是還存在圖靈機不能計算的非遞歸函數，圖靈本人就找到過這樣的函數。普通計算機肯定也不能求解這類問題。此外，由於實際機器的許多物理限制，即使理論上由圖靈機可解的一些問題，在普通計算機上也是「實際上」不可解的。

為了紀念圖靈對計算機科學所做的貢獻，美國計算機協會（ACM）設立了圖靈獎。從1966年開始每年獎勵在計算機科學上獲得突出成就的科學家，這被認為是計算機科學領域的最高榮譽。

計算機科學研究受到各國政府的重視，許多國家都制定了長期發展規劃。許多著名的計算機公司，如IBM公司，AT&T的貝爾（Bell）實驗室都對計算機科學的發展做出了重要的貢獻。

目前，計算機科學的研究領域可以概括為以下七個方面：

1.計算機系統結構的研究

傳統的計算機系統基於馮諾依曼的順序控制流結構，從根本上限制了計算過程並行性的開發和利用，迫使程序員受制於「逐字思維方式」，從而使程序復雜性無法控制，軟體質量無法保證，生產率無法提高。因此，對新一代計算機系統結構的研究是計算機科學面臨的一項艱巨任務。人們已經探索了許多非馮諾依曼結構，如並行邏輯結構、歸約結構、數據流結構等。

智能計算機以及其它新型計算機的研究也具有深遠的意義，例如光學計算機、生物分子計算機、化學計算機等處理方法的潛在影響是不可忽視的。計算機構造學正在發展著。

2.程序設計科學與方法論的研究

馮諾依曼系統結構決定了傳統程序設計風格的缺陷，逐字工作方式，語言臃腫無力。缺少必要的數學性質。新一代語言要從面向數值計算轉向知識處理，因此新一代語言必須從馮諾依曼設計風格中解放出來。這就需要分析新一代系統對語言的模型設計新的語言，再由新的語言推出新的系統結構。

3.軟體工程基礎理論的研究

軟體工程的研究對軟體生存期作了合理的劃分，引入了一系列軟體開發的原則和方法，取得較明顯的效果。但未能從根本上解決「軟體危機」問題。

軟體復雜性無法控制的主要原因在於軟體開發的非形式化。為了保證軟體質量及開發維護效率，程序的開發過程應是一種基於形式推理的形式化構造過程。從要求規范的形式描述出發，應用形式規范導出演算法版本，逐步求精，直至得到面向具體機器指令系統的可執行程序。由於形式規范是對求解問題的抽象描述，信息高度集中，簡明易懂，使軟體的可維護性得到提高。

顯然，形式化軟體構造方法必須以科學的程序設計理論和方法為基礎，以集成程序設計環境為支持。近年來這些方面雖取得不少進展，但距離形式化軟體開發的要求還相差甚遠。因此，這方面仍有不少難題有待解決。

4.人工智慧與知識處理的研究

人工智慧的研究正將計算機技術從邏輯處理的領域推向現實世界中自然產生的啟發式知識的處理，如感知、推理、理解、學習、解決問題等。為了建立以知識為基礎的系統，提高解決問題的綜合能力，以啟發式知識表達為基礎的程序語言和程序環境的研究就成為普遍關心的重要課題。

人工智慧還包括許多分支領域，如人工視覺、聽覺、觸覺以及力覺的研究，模式識別與圖象處理的研究，自然語言理解與語音合成的研究，智能控制以及生物控制的研究等。總之，人工智慧向各方面的深化，對計算機技術的發展將產生深遠的影響。

5.網路、資料庫及各種計算機輔助技術的研究。

計算機通信網路覆蓋面的日趨擴大，各行業資料庫存的深入開發，各種計算機輔助技術如CAD、CAM、CAT、CAE、CIM（計算機集成化製造）等的廣泛使用，也為計算機科學提出許多值得研究的問題。如編碼理論，資料庫的安全與保密，異種機聯網與網間互連技術，顯示技術與圖形學，圖象壓縮、存貯及傳輸技術的研究等。

6.理論計算機科學的研究

自動機及可計算性理論的研究，例如窗靈機的理論研究還有許多工作可作。理論計算機科學使用的數學工具主要是資訊理論、排隊論、圖論、符號邏輯等，這些工具本身也需進一步發展。

7.計算機科學史的研究

在計算機科學的發展史上，有許多對認識論、方法論是很值得借鑒的豐富有趣的史料，它們同樣是人類精神寶庫的重要財富。