未来计算机的发展趋势

未来计算机的发展趋势

目前，中间件技术已经发展成为企业应用的主流技术，如交易中间件、消

息中间件、专有系统中间件、面向对象中间件、数据存取中间件、远程调用中间件等。

随着计算机应用的广泛和深入，又向计算机术本身提出了更高的要求。要起提高计算机的工作速度和存储量，关键是实现更高的集成度。传统的计算机的芯片是用半导体材料制成的，这在当时是最佳的选择。但随着集成的提高，它的弱点也日益显现出来。专家们认识到，尽管随着工艺的改进，集成电路的规模越来越大，但在单位面积上容纳的元件有限的，在1毫米见方的硅片上最多不能超过25万个，并且它的散热、防漏电等因素制约着集成电路的规模，现在的半导体芯片发展即将达到理论上的极限。因此，有人预测现行的计算机系统将在2010年遇到无法逾越的障碍。为此，世界各国研究人员正在加紧研究开发新一代计算机，从体系结构的变革到器件与技术革命都要产生一次量的乃至质的飞跃。计算机的发展趋势表现为4种，即巨型化、微型化、网络化和智能化。未来新一代的计算机可分为模糊、量子、超导、光子和DNA5种类型。

1计算要的发展趋势

1）巨型化

巨型化是指计算机速度更快、存储容量更大、功能更强、可靠性更高的计算机。其运算能力一般在每秒百亿次以上，内存容量在几百G 字节以上。巨型计算机主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。巨型计算机的发展集中体现了计算机科学技术的发展水平。

2）微型化

微型化是指发展体积更小、功能更强、可靠性更高、携带更方便、价格更便宜、适用范围更广的计算机系统。因为微型机可渗透到诸如仪表、家用电器、导弹弹头等中、小型机无法进入的领域，所以20世纪80年代以来发展异常迅速。预计微型机性在一起，今后将逐步发展到对存储器、通道处理机、高速运算部件、图形卡、声卡的集成，进一步将系统的软件固化，达到整个微型机系统的集成。

3）网络化

网络化是指利用通信技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共软件、硬件和数据资源的目的。目前计算机联网已经非常普遍，但是计算机网络化仍然有许多工作要做。如网络上资源虽多，利用却并不方便；联网的计算机虽多，计算机特别是服务器的利用率并不高；网络虽然方便，但是却不安全，等等。计算机网络化在提供方便、及时、可靠、安全、高效的信息服务方面还有很多的工作要做。

目前各国在开发三网合一的系统工程，即将计算机网、电信网和有线电视网合为一体。将来通过网络能更好地传送数据、文体资料、声音、图形和图像，用户可随时随地在全世界范围拨打可视电话和收看任意国家的电视和电影。

4）智能化

5）智能化是指让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。智能计算机具有解决问题和逻辑推理的功能，以及知识处理和知识库管理的功能等。

人与计算机的联系是通过智能接口，用文字、声音、图像等与计算机自

然对话。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和

机器人。在21世纪，以计算机为基础的人工智能技术将得到极大发展，

各种智能机器人会大量出现，要使计算机能代替人类做更多的工作，就

要使计算机有更接近人类的思维和智能。未来的计算机将能接受自然语

言的命令，有视觉、听觉和触觉。将来的计算机可能不再有现在计算机

这样的外形，体系结构也会不同。目前已研制出的机器人有的可以代替

人从事危险环境的劳动，有的能与人下棋寺，这都从本质上扩充了计算

机的能，使计算机成为可以越来越多地替代人的思维活动和脑力劳动的

电视。

2未来新一代的计算机

1）模糊计算机

1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。依照模糊理论，判断问题不是以

是、非两种绝对的值或0与1两种数码来表示，而是取许多值，如接近、几

乎、差不多及差得远等模糊值来表示。用这种模糊的、不确切的判断进行工

程处理的计算机就是模糊计算机。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的计

算机。模糊计算机除具有一般计算机的功能外，还具有学习、思考、判断和

对话的能发，可以立即辩识外界物体的形状和特征，甚至可帮助人从事复杂

技脑力劳动。日本科学家把模糊计算机应用地铁管理上。日本东京以北

320km 的仙台市的地铁列车，在模糊计算机控制下，自1986年以来一直安

全、平稳地行驶着。车上的乘客可以必攀扶拉手吊带，这是因为，在列车行

进中模糊逻辑计算机芯片。此外，人们又把模糊计算机装在吸尘器里，可以

根据灰尘量以及地毯的厚实程度调整吸尘器的功率。模糊计算机还能用于地

震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控特、海空导航巡视等多个方面。

2）生物计算机

微电子技术和生物工程这两项高科技的互相渗透，为研制生物计算机提供了

可能。20世纪70年代以来，人们发现脱氧核酸（DNA ）处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的导通

或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等，激发了科学家们研制生物元

件的灵感。1995年，来自各国的200多位有关专家共同探讨了DNA 计算机

的可行性，认为生物计算机是以生物电子元件构建的计算机，而不是模仿生

物大脑和神经系统中信息传递，处理等相关原理来设计的计算机。其生物电

子元件是利用蛋白质具有的开关性，用蛋白质分子制成集成电路，形成蛋白

质芯片、红血素芯片等。利用DNA 化学反应，通过和酶的相互作用可以使

某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程可以制成新型的生物计

算机。科学家们认为生物计算机的发展可能要经历一个较长的过程。

3）光子计算机

光子计算机是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成光路技术，把光开关、光存储器等集成在一块芯片上，再用光导 纤

维连接成计算机。1990年1月底，贝尔实验室研制成第一台光子计算机，尽

管它的装置奶粗糙，由激光器、透镜、棱镜等组成，只能用来计算。但是，它毕竟是光子计算机领域中的一大突破。正像忠心耿耿计算机的发展依赖于

电子器件，尤其是集成光路一样，光子计算机的发展也主要取决于光逻辑元

件和光存储元件，即集成光路的突破。近十年来CD-ROM 光盘、VCD 光盘和DVD 光盘的接踵出现，是光存储研究的巨大进展。网络技术中的光纤信道和光转换器技术已相当成熟。光子计算机的关键技术，即光存储技术、光互联网、光集成器件等方面的研究都已取得突破性的进展，为光子计算机的研制、开发和应用奠定了基础。现在，全世界除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光了计算机，预计未来将出现更加先进的光子计算机。

4）超导计算机

1911年昂尼斯发现纯汞在4.2K 低温下电阻变为零的超导现象。超导线圈中的电流可以无损耗地流动。在计算机诞生之后，超导技术的发展使科学家们想到用超导材料来替代半导体制造计算机。早期的工作主要是延续传统的半导体计算机的设计思路，只不过是将半导体材制备的逻辑门电路改为用超导体材料制备的逻辑门电路。从本质上讲并没有突破传统计算机的设计构架，而且，在20世纪80年代中期以前，超导材料的超导临界温度仅在液氦温区，实施超导计算机的计划费用昂贵。然而，在1986年左右出现重大转机，高温超导体的发现使人们可以在液氦温区获得新型超导材料，于是超导计算机的研究又获得了各方面的广泛重视。超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，运算速度是传统计算机无法比拟的。所以，世界各国科学家都在研究超导计算机，但还有许多技术难关有待突破。

5）量子计算机

现在放在我们面前的高速现代化的计算机处计算机的祖先“ENIAC ”机相比并没有什么本质的区别，尽管计算机体积已经变得更加小巧，而且执行任务也非常快，但是计算机的任务却并没有改变，即对二进制位0和1的编码进行处理并解释为计算结果。每个位的物理实现是通过一个肉眼可见的物理系统完成，例如从数字和字母到我们所用的鼠标或调制解调器的状态等都可以用一系列我0和1的组合来代表。传统计算机与量子计算机之间的区别是传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机中，用‘量子位’来代替传统电子计算机的二进制位。二进制位只能用‘0’和‘1’两个状态表示信息，而量子位则用粒子的量子力学状态来表示信息，两个状态可以在一个‘量子位’中并存。量子位即可以用与二进制位类似的‘0’和‘1’，也可以用这两个状态的组合来表示信息。正因如此，量子计算机被认为可以进行传统电子计算机无法完成的复杂计算，其运算速度将是传统电子计算机无法经拟的。

最近，由年轻的华裔科学家艾萨克 庄领衔的IBM 公司科研小组向公众展示了迄今最尖端的‘5比特量子计算机’。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机，而是要使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机，如光子计算机和生物计算机等的不同之处。目前关一量子计算机所应用的材料研究仍然是其中的一个基础研究问题。

1. １．５信息技术的发展

信息社会的到来，给全球带来了信息技术飞速发展的契机。半个多世纪以

来，人类社会正由工业社会全面进入信息社会，其主要动力就是以计算机技术、通信技术和控制技术为核心的现代信息技术的飞速发展和广泛应用。纵观人类社会发展史和科学技术史，信息技术在众多的科学技术群体中越来越显示出强大的

生命力。随着科学技术的飞速发展，各种高新技术层出不穷，日新月异，但是最主要的、发展最快的仍然是信息技术。

１数据与信息

数值、文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。数据是信息的载体。 一般来说，信息即是对各种事物的变化和特征的反映，又是事物之间相互作用和联系的表征。人通过接受信息来认识事物，从这个意义上来说，信息是一种知识，是接受者原来不了解的知识。

信息同物质、能源一样重要，是人类生存和社会发展的三大基本资源之一。可以说信息不仅维系着社会的生存和发展，而且在不断的推动着社会和经济的发展。

数据与信息的区别；数据处理之后产生的结果为信息，信息且有针对性、时

效性。尽管人们在许多场合把这两个词互换使用。信息有意义，而数据没有。例如，当测量一个病人的体温时，假定病人的体温是３９`Ｃ，则写在病历上的３９`Ｃ实际上是数据。３９`Ｃ这个数据本身是没有意义的；３９`Ｃ是什么意思? 什么物质是３９Ｃ？但是，当数据以某种形式经过处理、描述或与其他数据比较时，便赋予了意义。例如，这个病人的体温是３９`Ｃ，这才是信息，信息是有意义的。

２信息技术

随着信息技术的发展，其内涵也在不断变化，因此至今仍没有统一的定义。一般来说，信息采集、加工、存储、传输和利用过程中的每一种技术都是信息技术，这是一种狭义的定义。在现代信息社会中，技术发展能够导致虚拟现实的产生，信息本质也被改写，一切可以用二进制进行编码的东西都被称为信息。因此，联合国教科文组织对信息技术的定义是；应用在信息加工和处理中和科学、技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方面的技巧和应用；计算机及其与人、机的相互作用；与之相应的社会、经济和文化等诸种事物。在这个目前世界范围内较为统一的定义中，信息技术一般是指一系列与计算机等 相关的技术。该定义侧重于信息技术的应用，对信息技术可能对社会、科技、人们的日常生活产生的影响及其相互作用进行了广泛的研究。

信息技术不仅包括现代信息技术，还包括在现代文明之前的原始时人和古代

社会中与那个时代相对应的信息技术。不能把信息技术等同为现代信息技术。

３现代信息技术的内容

一般来说，信息技术（ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ,

ＩＴ）包含三个层次的内容；信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。

１）信息基础技术

信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发

和制造技术。近见十年来，发展最快、应用最广泛、对信息技术以及整

个高科技领域的发展影响最大的是微电子技术和光电子技术。

２）信息系统技术

信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的

技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心

和支撑技术。

３）信息应用技术

信息应用技术是针对种种实用目的，如由信息管理、信息控制、信息决

策而发展起来的具体的技术群类，如工厂的自动化、办公自动化、家庭

自动化、人工智能和互联能信技术等。它们是信息技术开发的根本目的

的所在。

信息技术在社会的各个领域得到广泛的应用，显示出强大的生命力。纵

观人类科技发展的历程，还没有一项技术像信息技术一样对人类社会产

生如此巨大的影响。

４现代信息技术的特点

展望未来，在社会生产力发展、人类认识和实践活动的推动下，信息技

术将才得到更深、更广、更快的发展，其发展趋势可以概括为数字化、

多媒体化、高速化、网络化、宽频带、智能化等。

１）数字化

当信息被数字化并经由数字网络流通时，一个拥有无数可能性的全新世

界是便由此揭开序幕。大量信息可以被压缩，并以光速进行传输，数字

传输的品质又比模拟传输的品质要好得多。许多种信息形态能够被结合、

被创造，例如多媒体文件。无论在世界任何的角落，都可以立即存储和

取用信息，这是即时存取了大部分人类文明进化的记录。新的数字产品

也将被制造出来，有些小巧得足以放进你的口袋里，有些则大得足以对

商业和个人生活的各层面都造成重大影响。

２）多媒体化

随着未来信息的发展，多媒体技术将文字、声音、图形、图像、视频等

信息媒体与计算机集成一起，使计算机的应用由单纯的文字处理进入文、

图、声、影集成处理。随着数字化技术的发展和成熟，以上每一种媒体

都将被数字化并容纳进多媒体的集合里，系统将信息整合在人们的日常

生活中，以接近于人类的工作方式和思考方式来设计与操作。

３）高速度、网络化、宽频带

目前，几乎所有的国家都在进行最新一代的信息基础建设，即建设宽频

高速公路。尽管今日的ＩＮＴＥＲＮＥＴ已经能够传输多媒体信息，但

仍然被认为是一条低容量频宽的网络路径，被形象地称为一条花园小径。

下一代的ＩＮＴＥＲＮＥＴ技术（ＩＮＴＥＲＮＥＴ２）的传输速率将

可以达到２．４ＧＢ/S。实现宽带的多媒体网络是未来信息技术的发展

趋势之一。

４）智能化

直到今日，不仅是信息处理装置本身几乎没有智慧，作为传输信息的网

络也几乎没有智能。对于大多数人而言，只是为了找有限的信息，却要

在网络上耗费许多时间。随着未来信息技术向着智能的方向发展，在超

媒体的世界里，‘软件代理’可以替我们在网络上漫游。‘软件代理’不

再需要浏览器，它本身就是信息的寻找器，它能够收集任何可能想要在

网络上获取的信息。

１. ２数据在计算机中的表示

计算机所表示和使用的数据可分为两大类：数值数据和字符数据。数值数据

用以表示量的大小、正负，如整数、小数等。字符数据也叫非数值数据，用

以表示一些符号、标记，如汉字、图形、声音数据也属非数值数据。

任何形式的数据，无论是数字、文字、图形、图像、声音、视频，进入

计算机都必须进行二进制编码转换。

１．２. １计算机采用二进制编码

ＥＮＩＡＣ计算机是一台十进制的计算机，它采用十个真空管来表示一位十进制数。冯．诺依曼在研ＩＡＳ时，发觉这种十进制的表示和实现方式十分麻烦，提出了二进制的表示方法，从此改变了整个计算的发展历史。

二进制只有‘１’和‘０’两个数，相对十进制面言，采用二进制表示不但运算简单、易于物理实现、通用性强，更重要的优点是所占用的空间和所消耗的能量要小得多，机器可靠性高。

计算机内部均用二进制数来表示各种信息，但计算机也外部交往仍采用人们熟悉和便于阅读的形式，如十进制数据、文字显示以及图形描述等。其间的转换，则由计算机系统的硬件和软污染上来实现。转换过程如图１－３所示。

１. ２. ２进位计数制

日常生活中，我们使用的数据一般是十进制表示，而计算机中所有的数据都是使用二进制。但为了书方便，也采用八进制或十六进制形式表示。下面介绍数制的基本概念。为了简化分析，均以整数为例。

如果数制只采用Ｒ个基本符号（例如：１，２――，Ｒ－１）表示数值则称为Ｒ数制称为‘数码’。处于不同位置的代表的值不，与它所在位置的“权”值有关。表１－２给出了计算机中常用的几种进位计数制。

表１－２计算机中常用的几种计数制的表示

英文字母：Ａ, Ｂ, Ｃ, Ｄ, Ｅ, Ｆ，它们分别等于十进制的１０，１１，１２，１３，１４，１５.

在数制中有一个规则，就是Ｎ进制一定采用“逢Ｎ进一”的进位礁岩则。如十进制就是“逢十进一”，二进制说是“逢二进一”。

１，２，３Ｒ进制转换为十进制

在我们熟悉的十进制系统中，９６５８还可以表示成如下的多藏匿项式形式：

（９６５８）D ＝９x10３+６x １０２+５x １０１+８x １００

上式中的１０３，１０２，１０１１００是各位数码的权，可以看出，个位、十位、百位和千位上的数字只有乘上它们的权值，才能真正表示它的实际数值。

基数为Ｒ的数字，要将Ｒ进制数按权开求和，这就实现了Ｒ进制对十进制的转换。如：

１. ２. ４十进制转换为Ｒ进制

将十进制转换为Ｒ进制数时，可将此数分成整数与小数两部分分别转换，然后再拼接起来即可。

将一个十进制整数转换成Ｒ进制数采用“除Ｒ取整”法，即将十进制小数不断乘以Ｒ取整数，直到小数部分为０或达到要求的精度为止（小数部分可能永远不会得到０）；所得的整数从小数点自左往右排

列，取有效精度，首次取得的整数排在最左边。

例：将十进制数２２５. ８１２５转换成二进制数。

１. ２. ５八进制转换为十六制

二进制数非常适合计算机内部数据的表示和运算，但书写起来位数比较长，如表示一个十进制数１０２４，写成等值的二进制数就需１１位，很不方便，也不直观。而八进制和十六进制数比等值的二进制数的长度短得多，而且它们之间转换也非常方便。因此在书写程序数据用到十进制数的地方，往往采用八进制数或十六进制数的形式。 由于二进制、八进制和十六进制之间存在特殊关系：81=23, 161=24, 即１位八进制数相当于３位二进制数，位十六进制数相当于４位二进制数，因此转换方法就比较容易，见表１－４

根据这种对应关系，十进制数转换成八进制数时，以小数点为中心向左右两边分组，每３务工一组，两头不足３位补０即可。同样二进制数转换成十六进制数只要４位为一组进行分组。例如：将二进制数（１０１０１０１１. １１０１０１）Ｂ转换成八进制数。

１. ２. ６计算机中的信息单位

１．位（bit ）

位是度量数据的最小单位，在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有０和１，其中无论０还是１在ＣＰＵ中都是１位。

２. 字节

一个字节由八位二进制数字组成（1Byte=8bit）。字节是信息组织和存储的基本单位，也是计算机体系结构的基本单位。

早期的计算机并无字节的概念。２０世纪５０年代中期，随着计算机逐渐从单纯用于科学计算扩展到数据处理领域，为了在体系结构上兼顾表示“数”和“字符”，就出现了“字节”。ＩＢＭ公司在设计其第一对超级计算机ＳＴＲＥＴＣＨ时，根据数值运算的需要，定义机器字长为６４bit 。对于字符而言，ＳＴＲＥＴＣＨ的打印机只有１２０个字符，本来用７bit 表示即可，但其设计人员考虑到以后字符集扩充的可能，决定用８bit 表示一个字符。这样６４位字长可容纳８个字符，设计人员把它叫做８个“字节”，这就是字节的来历。

为 了便于衡量存储器的大小，统一以字节“Ｂyte,B ”为单位。常用的是：

Ｋ字节 １ＫＢ=１０２４Ｂ

Ｍ字节 １ＭＢ=１０２４ＫＢ

Ｇ字节 １ＧＢ=１０２４ＭＢ

Ｔ字节 １ＴＢ=１０２４ＧＢ

１．２. ７字符

字符包括西文字符（字母、数字、各种符号）和中文字符，即所有不可做算术运算的数据。由于计算机是以二进制的形式存储和处理的，因此字符也必须按特定的规则进行二进制编码才能进入计算机。字符编码的方法很简单，首先确定需要编码的字符总数，然后将每一个字符的顺序确定顺序编号，编号值的大小无意义，仅作为识别与使用这些字符的依据。字符形式的多少及编码的倍数。对西文与中文字符，由于形式的不同，使用不同的编码。

１. 西文字符的编码

计算机中的信息都是用二进制编码表示的，用以表示字符的二进制编码称为字符编码。计算机中最常用的字符编码是ＡＳＣＩＩ(Ａmerican Stand Code for Information I nterchange, 美国信息交换标准交换代码) ，被国际标准化组织殷富为国际标准。ＡＳＣＩＩ码和７位码和８位码两种版本。国际通用的是７位ＡＳＣＩＩ码，用７位二进制数表示一个字符的编码，共有２７＝１２８个不同的编码值，相应可以表示１２８个不同字符的编码，见表１－５所示：

表１－５中对大小写英文字母、阿拉伯数字、标点符号及控制符等特殊符号规定了编码，表中每个字符都对应一数值，称为该字符的ＡＳＣＩＩ码值。其排列次序为b 6b 5b 4b 3b 2b 1b 0, b 6为最高位，b ０为最低位。