1.1 计算机概述

计算机是20世纪人类最伟大的科学技术发明之一，对人类的生产和社会生活产生了极大的影响。计算机是一种能够根据程序指令对信息进行加工、运算、存储，并迅速高效地自动完成信息处理的电子集成设备。它和人脑相似，能够采集、识别、存储、转换和处理外界信息，所以也被称为“电脑”。

1.1.1 计算机发展历史

与其他发明一样，计算机也是经过各个阶段不断演化而来。计算机的发展经历了从简单到复杂、从低级到高级的阶段，以及从手动计算器到自动计算机的变迁过程。

1．手动计算器

在有史料记载之前，人们就开始使用小石块和有刻痕的小棍作为计数工具。随着人们的生产和生活活动日益复杂，简单的计数已经不能满足人们的需要，很多交易不仅需要计数而且还需要计算。计算需要基于算法，算法就是处理数字所依据的一步步操作过程，而手动计算器就是利用算法进行辅助数字计算过程的设备。

在西周时期出现的算珠和春秋时期出现的算筹是最早将算法和专用实物结合起来的运算工具，如图1-1所示。到了宋元年间，杨辉等著名数学家创建的珠算歌诀是将算法理论化、系统化的初步表现。到了明代，珠算取代了算筹，算盘的应用空前成熟和广泛，如图1-2所示。

纳皮尔筹，也称为纳皮尔计算尺，是17世纪由英国数学家纳皮尔发明的。它由10根木条组成，每根木条上都刻有数码，右边第一根木条是固定的，其余的木条都可根据计算的需要进行拼合或调换位置。纳皮尔筹也曾传到过中国，北京故宫博物院里至今还保留有珍藏品，如图1-3所示。

在17世纪中期，英国数学家奥特雷德在刻度尺的基础上发明了滑动刻度尺，一直被学生、工程师和科学家所利用，如图1-4所示。

2．计算机的雏形——机械式计算器

手动计算器需要操作者使用算法来进行计算，而机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解算法。使用机械式计算器时，操作者只需输入计算所需的数字，然后拉动控制杆或转动转轮来进行计算，操作者无需思考，且计算的速度更快。

1642年法国物理学家和思想家帕斯卡发明了加法器（也称 Pascaline 计算器）。只需要顺时针拨动轮子就可以进行加法计算，而逆时针拨动轮子则进行减法计算，这是人类历史上第一台机械式计算器，如图1-5所示。

1673年莱布尼茨发明了乘法器。这是第一台可以运行完整的四则运算的计算器。他还在巴黎科学院表演了经他改进的采用十字轮结构的计算器，完成了数字的不连续传输，奠定了早期机械式计算器的雏形，如图1-6所示。据记载，莱布尼茨曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝。

1822年英国数学家巴贝奇发明了差分机。它以蒸汽作为动力，可以快速而准确地计算天文学和大型工程中的数据表。差分机中使用了类似于存储器的设计方式，甚至包含了很多现代计算机的概念，体现了早期程序设计思想的萌芽，如图1-7所示。

1888年美国人赫尔曼·霍勒斯发明了制表机。它采用电气控制技术取代纯机械装置，这是计算机发展中的第一次质变。

3．电子计算机的出现

在电子计算机的发展道路上，不同时期的不同团队总是在不断进行着尝试，他们为电子计算机的产生和发展作出了巨大的贡献。其中爱荷华州立大学的ABC和宾夕法尼亚大学的ENIAC便是其中的杰出代表。

1937—1942年，爱荷华州立大学的约翰·文森特·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff）和他的研究生克利福特·贝瑞（Clifford Berry）共同设计了阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer, ABC），如图1-8所示。它采用真空电子管代替机械式开关作为处理电路，结合了基于二进制数字系统的计算设计理念。“ABC”本身不可编程，仅仅用于求解线性方程组，并在1942年成功进行了测试。“ABC”是世界上第一台电子计算机。

电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer,ENIAC）于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学，它是美国为计算弹道表而研制的第一台军用电子计算机，如图1-9所示。它使用18 000个电子管，耗电量150千瓦，总重量达30吨，每秒可以执行5 000次加法运算，是手工计算速度的20万倍，其造价为48万美元。“ENIAC”还被用于原子能和新型导弹弹道技术的计算，是世界上第一台通用计算机。

“ABC”和“ENIAC”是计算机发展史初期的两个里程碑，虽然“ABC”比“ENIAC”诞生更早，但是因为历史原因，世界公认的第一台电子计算机是1946年诞生的“ENIAC”。

随着电子技术的日新月异，更小更节能的元器件不断出现，使得计算机的体积和能耗都不断降低。根据计算机所采用电子元件的不同，可以将计算机的发展划分为四个时代。

（1）电子管计算机

电子管是一种最早期的电信号放大器件，样子很像灯泡。电子管比机械式继电器反应快，计算结果也更快，但缺点是能耗大、易损坏，如图1-10（a）所示。

（2）晶体管计算机

贝尔实验室证明晶体管可以控制电流和电压，还可以作为电子信号的开关。晶体管的体积也更小，价格更便宜，并且能耗低、更可靠。因此，晶体管计算机体积更小，速度可提升到百万次/秒，此时还出现了操作系统，并且开始采用高级语言进行程序设计，如图1-10（b）所示。

（3）集成电路计算机

集成电路（Integrated Circuit）是一种微型电子器件或部件，是把一个电路所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连，制作在一块或几块半导体晶片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。

集成电路技术使得在单个小型芯片上集成几千个晶体管成为可能，大大减少了设备的体积、重量和能耗。由于集成的晶体管个数多、运算速度更快，集成电路计算机采用了多道程序设计和分时联机操作系统，如图1-10（c）所示。

（4）大规模、超大规模集成电路计算机

大规模集成电路可以在一个芯片上集成几百个元件，20世纪80年代的超大规模集成电路（VLSI）可以在芯片上集成几十万个元件，20世纪90年代的特大规模集成电路（ULSI）将数量扩充到百万级，如图1-10（d）所示。

第一代微处理器Intel 4004就是大规模集成电路芯片，随之产生了更快、更小、更便宜的微型计算机。程序设计语言和操作系统也更加多样化，软件逐步产业化，计算机进入了多媒体、网络化时代。

计算机的发展历程及应用范围如表1-1所示。现在，计算机的体积越来越小，运算速度也越来越快，应用的范围也越来越广。

1.1.2 图灵

在计算机发展史中，最伟大的发明家要数阿兰·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing），他被称为计算机之父、人工智能之父。他在数理逻辑和计算机科学方面取得了举世瞩目的成就，他的一些科学成果构成了现代计算机技术的基础，他提出的图灵机模型为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。

1．图灵

阿兰·麦席森·图灵（1912—1954年），英国著名数学家、逻辑学家、密码学家，如图1-11所示。图灵于1912年6月23日生于英国帕丁顿，1931年进入剑桥大学国王学院，师从著名数学家哈代，1938年在美国普林斯顿大学取得博士学位，第二次世界大战爆发后回到剑桥，后曾协助军方破解德国的著名密码系统“Enigma”，帮助盟军取得了第二次世界大战的胜利。图灵于1954年6月7日在曼彻斯特去世，他是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”“图灵测试”等重要概念。人们为纪念他在计算机领域的卓越贡献而专门设立了“图灵奖”。

2．图灵机

图灵机（Turing Machine）是指一个抽象的计算模型，如图1-12所示。它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色，有一个机器头在纸带上移来移去；机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序；在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。

3．图灵测试

图灵测试，又称“图灵判断”，是图灵提出的一个关于机器人的著名判断原则，它是一种测试机器是否具备人类智能的方法。如果计算机能在五分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其超过30%的回答让测试者误认为是人类所答，则计算机通过测试。

如图1-13（a）所示，图灵测试的方法是在测试人与被测试者（一个人和一台机器）隔开的情况下，通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问。问过一些问题后，如果测试人不能确认被测试者30%的答复哪个是人、哪个是机器的回答，那么这台机器就通过了测试，并被认为具有人类智能。

2014年6月7日在英国皇家学会举行的“2014图灵测试”大会上，聊天程序“尤金·古斯特曼”（Eugene Goostman）首次通过了图灵测试，如图1-13（b）所示。这一天恰好是图灵逝世60周年纪念日。在活动中，“尤金·古斯特曼”成功伪装成一名13岁男孩，回答了测试者输入的所有问题，其中33%的回答让测试者认为与他们对话的是人而非机器，这是人工智能乃至于计算机史上的一个里程碑事件。

4.ACM图灵奖

图灵奖由美国计算机协会（ACM）于1966年设立，专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个人。其名称取自计算机科学的先驱、英国科学家图灵。由于图灵奖对获奖条件要求极高，评奖程序又极为严格，一般每年只奖励一名计算机科学家，只有极少数年度有两名合作者或在同一方向作出贡献的科学家共享此奖。因此，它是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。

1.1.3 计算机的分类

根据计算机的用途、价格等标准，可以将计算机分为超级计算机、大型机、服务器和个人计算机等四类。

1．超级计算机

超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，主要面向尖端科学和国防科技领域，是一个国家或地区科技发展水平的体现。超级计算机可以完成其他类型计算机不能处理的复杂任务和大量计算工作，如基因序列测定、大气模型、宇宙研究等。

超级计算机由数千个微处理器组成，生产超级计算机的公司有美国的Cray公司、TMC公司，日本的富士通公司、日立公司等。

2016年6月20日，在法兰克福世界超算大会上，国际TOP500组织发布的榜单显示，我国的国家并行计算机工程技术研究中心研制的超级计算机系统“神威·太湖之光”位居榜首，成为全球最快的超级计算机，如图1-14所示。2017年11月13日，全球超级计算机500强榜单公布，“神威·太湖之光”以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度第四次夺冠。

2．大型机

大型机体积庞大、价格昂贵，可以同时为成百上千的用户处理数据，还可以集中存储、处理和管理大量数据，如银行和金融行业、企业和政府等机构的数据。IBM大型机如图1-15所示。

3．服务器

服务器是专门用来进行网络数据存储和处理的计算机。在网络环境下，根据服务器提供的服务类型不同，分为文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器、Web服务器等，Dell服务器如图1-16所示。

4．个人计算机

个人计算机是面向家庭和个人的计算机，分为桌面计算机、便携式计算机和各种手持设备（如智能手机、平板电脑等），主要用于日常工作和生活。

1.1.4 计算机的应用领域

目前计算机的应用已经非常普遍，广泛应用于科研、生产、金融、医疗、通信等诸多领域，并深入家庭生活。计算机的应用领域，主要包括以下几个部分。

1．科学计算

科学计算是指为解决科学研究和工程设计过程中的数学问题而进行的计算，也称为数值计算。利用计算机高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以解决人工无法解决的各种科学计算问题，如导弹试验、火箭发射、灾情预测、天气预报、化学实验分析等。

我国是世界上自然灾害种类最多、活动最频繁、危害最严重的国家之一。科研人员对于如何提高灾情预测的时效性进行了大量的分析和研究，通过设计集监测、预报、救灾、通信于一体的紧急灾难检测预警控制系统来预防灾害和提高救灾成功率，减少灾害发生时的损失。

2．数据处理

数据处理（或信息处理）是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。其特点是处理的原始数据量大，而运算比较简单，有大量的逻辑与判断运算。

目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等行业。

办公自动化（也称为OA）现在普遍被全球各大中小型企业和政府机构采用。办公自动化将现代化办公和计算机网络功能结合起来，优化现有的管理组织结构，调整管理体制，在提高效率的基础上增加协同办公能力，强化决策的一致性。目前国内较为知名的OA产品有泛微OA系统、金和OA系统等。

3．过程控制

过程控制又称实时控制，是指利用计算机及时采集检测数据，按最优值自动调节和控制对象。采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，从而改善劳动条件，提高产品质量及合格率，提高经济和社会效益。

计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等领域得到广泛应用，如锅炉控制系统、煤矿安全生产监测系统、汽车制造控制系统、民航飞行调度管理系统等。

汽车生产厂家使用计算机控制的自动化生产线来制造汽车。焊接机器人可以提高焊接质量，提高劳动生产率；从而降低劳动成本，降低对工人操作技术的要求，如图1-17所示。

4．计算机辅助工程

计算机辅助工程是迅速发展的一个计算机应用领域，它主要包括以下四个方面。

（1）计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）。它是指使用计算机进行产品和工程设计，使得设计过程标准化、科学化。CAD广泛应用于船舶设计、飞机设计、汽车设计、建筑设计、服装设计、电子设计和各种机械行业的设计。如AutoCAD软件可以进行二维绘图、详细绘制、文档设计和基本三维设计。

（2）计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture,CAM）。它是指利用计算机通过各种数值控制生产设备，完成产品的加工、装配、检测、包装等生产过程的技术。CAM可以调高产品质量、降低产品成本和劳动力强度。

例如数控机床，如图1-18所示，能从刀库中自动换刀并自动转换工作位置，连续完成铣、钻、铰、攻丝等多道工序，是一个工序自动化的加工过程，实现零件部分或全部机械加工过程的自动化。

（3）计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction,CAI）。它是指将教学内容、教学方法以及学生的学习情况等存储在计算机中，帮助学生轻松地学习所需要的知识。CAI 利用计算机模拟一般教学设备难以表现的物理或工作过程，并通过交互操作极大地提高了教学效率，如“网上人大”“清华学堂”“101网校”等。

（4）计算机辅助测试（Computer Aided Test,CAT）。它是指利用计算机代替传统试卷进行考试的一种方法。如GRE、计算机等级考试等都已经实现了计算机无纸化考试。

5．人工智能

人工智能（Artificial Intelligence）是指研究用机器代替和模仿人脑的某些智能功能，通过编写程序模拟人类的思维活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解、图像识别等。人工智能的应用领域非常广泛，包括人机对弈、定理证明、翻译语言文字、诊断疾病、海底作业等。例如，模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。

机器人技术是人工智能领域最伟大的发明之一，有仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等。机器人技术正在迅速地向实用化迈进，机器人可以工作在各种恶劣环境，如高温、高辐射、剧毒等。

1968年美国斯坦福研究所研制出世界上第一台智能机器人Shakey，可以进行登爬高台、推进物体等简单操作，如图1-19（a）所示。

1977年日本本田公司研制出代号为“P1”的机器人，是世界上第一台可以像人类一样走路的步行机器人，如图1-19（b）所示。

目前，代号为“Atlas”的人形机器人已可以熟练地行走、爬楼梯、上下跳，能在行进间受到物体撞击时保持平衡、智能躲避障碍物与异物、跨越或攀爬坑洞等，如图1-19（c）所示。

虽然我国机器人起步较晚，但机器人技术发展迅速，已经研发出可适应各行业需求的机器人。我国自主研发的第一台仿真机器人如图1-19（d）所示。

6．计算机网络

计算机网络是现代计算机技术与通信技术紧密结合的产物。计算机网络解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信，实现各种软、硬件资源的共享，大大促进了国际文字、图像、视频、声音等各类数据的传输与处理。

通过计算机网络，人们可以进行很多不受地域限制的活动，如网上购物、网上银行、网上炒股、网上订票等，此外还可以进行远程教育、教学科研、娱乐、通信等。

1.1.5 计算机的新技术

计算机技术与其他高新技术一样，也在发生着日新月异的变化。传统计算机技术不断成熟，很多新的计算机技术不断推陈出新，计算机的应用领域不断得到拓展，计算机发展向着超高速、超小型、超智能化的方向发展。

1．嵌入式技术

嵌入式技术是将计算机作为一个信息处理部件，执行某种特殊应用的一种技术。嵌入式是一种专用的计算机系统，该系统作为装置或设备的一部分，将硬件系统和软件系统一体化。嵌入式具有软件代码少、系统集成度高、可靠性高和响应速度快等特点。嵌入式技术近年来取得飞速的发展，所涉及的领域非常广泛。例如各种智能电器，如微波炉、冰箱、导航、多媒体终端、数字电视等，都广泛应用了嵌入式技术。

绝大多数嵌入式系统都是针对某些特殊任务定制的，主要由微控制器、用以保存固件的ROM、用以保存数据的RAM、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序组成。嵌入式系统将软硬件结合于一身，通过独立编写的程序实现对其他设备的控制和管理等功能。

2．集群计算技术

集群计算技术是一种较新的技术，通过集群技术，可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可靠性、灵活性等方面相对较高的收益，其中任务调度则是集群系统中的核心技术。集群是使用两台或两台以上的服务器组成的服务器集合，以提供高性能的不停机服务，每台服务器均承担部分计算任务和容错任务，但整体仍表现为一个单一系统。与传统并行计算模型相比，集群中各节点并不复杂，但在单一系统映像、可靠性和可伸缩性上更有优势，可以大幅降低企业成本。集群系统由四部分组成，分别为：后台共享存储设备、集群内部网络通信、公共网络、虚拟的前台界面。

集群计算技术的特点有以下三点。

（1）高可伸缩性：服务器集群具有很强的可伸缩性。随着需求和负荷的增长，可以向集群系统添加更多的服务器。在这样的配置中，可以有多台服务器执行相同的应用和数据库操作。

（2）高可用性：在不需要操作者干预的情况下，防止系统发生故障或从故障中自动恢复的能力。通过把故障服务器上的应用程序转移到备份服务器上运行，集群系统能够把正常运行时间提高到大于99.9%，大大减少服务器和应用程序的停机时间。

（3）高可管理性：系统管理员可以从远程管理一个甚至一组集群，就好像在单机系统中一样，认为是同一个系统。

3．网格计算技术

随着超级计算机的不断发展，其已经成为解决各种科学计算领域复杂问题的中坚力量。但仅仅依靠超级计算机这种单一计算模式已经显现出不足。超级计算机虽然计算速度惊人，但同样成本极高，一般只应用于国家级的部门，如航天、气象、灾害预警等相关部门才有能力配备这样的设备。而随着人们日常工作中的计算复杂度越来越高，数据处理能力强的计算机的需求量也在不断增加，但昂贵的超级计算机显然不是人们的首选。因此人们开始探索如何实现既保证数据处理能力又兼顾造价的计算模式，网格计算技术因此应运而生。

网格是以Internet技术和分布式计算技术为基础，将地理上分散的各类计算资源、存储资源、数据资源、应用资源、仪器设备等构成统一的虚拟环境，采用开放标准的协议，实现资源的有效共享，将这些不在同一地理位置的资源组织成一个“虚拟超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机都是一个“节点”。整个计算过程由成千上万个“节点”组成，共同完成高性能计算和信息处理等各类应用。通过这样的方式不仅可以提高数据处理能力，同样可以充分利用网络中的闲置处理能力，甚至可以超过目前最快的超级计算机。

网格计算技术的特点有以下四点。

（1）分布与资源共享，实现应用程序的互联互通。

（2）协同工作，很多“节点”可以共同进行一个处理。

（3）基于国际的开放技术标准。

（4）动态性和多样性。

4．数据挖掘技术

人们的身边存在着大量的数据，而这些数据本身存在着某些特殊含义或蕴含着某些特殊意义。因此人们迫切需要将这些数据转换成有用的信息和知识并应用于日常生活中，如商务管理、生产控制、市场分析、工程设计等。因此为了能够实现这一目的，应运而生了数据挖掘技术。数据挖掘是指从大量的数据中提取隐含的、未知的、并具有潜在使用价值的信息的过程。数据挖掘是一种决策支持过程，它基于数据库、统计学、人工智能、机器学习、模式识别、数据可视化等多种技术，自动化地分析历史数据，从中挖掘出供决策使用的高层次知识，帮助决策者提高决策质量和效率。

数据挖掘技术的数据分析方法有以下几类。

（1）分类。找出一组数对象的共同特点并按照分类模式将其划分成不同的类，其目的是通过分类模型将数据映射到给定的类别。

（2）回归分析。主要目的是发现变量或属性之间的依赖关系。

（3）聚类。把一组数据按照相似性和差异性划分成几个类别。

（4）关联规则。描述数据项之间所存在的关系的规则，即隐藏在数据间的关联或相互关系。

（5）特征分析。从一组数据中提取出关于这些数据的特征式，这些特征式表达了该数据集的总体特征。

1.1.6 新型计算机展望

从第一台电子计算机的诞生开始，计算机的发展速度越来越快，计算机的体积不断变小，运算速度却不断变快，计算机向着小型化、快速化发展，传统的冯·诺依曼体系结构正在受到严峻的考验。随着硅芯片技术的快速发展，硅技术也越来越接近物理极限，为了解决物理性对硅芯片的影响，世界各国都在加紧研制新技术，新技术的出现给计算机的发展带来了质的飞跃。

1．量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。量子计算机主要利用一种链状分子聚合物的特性标识开和关的状态，利用激光脉冲来改变分子状态，从而使得信息沿着聚合物移动，进而达到运算处理的目的。传统计算机与量子计算机之间的区别在于传统计算机遵循经典的物理规律，而量子计算机则是遵循量子动力学规律，是一种信息处理的新模式。在量子计算机中，用“量子位”来代替传统计算机中的二进制位。传统计算机中只能用“0”和“1”这两个状态来表示信息，而量子计算机中的“量子位”不仅可以表示“0”和“1”这两个状态，还可以表示这两个状态的组合。因此量子计算机被认为可以完成传统计算机无法完成的计算，其运算速度是传统计算机无法企及的。

与传统计算机相比，量子计算机具有存储容量大、运算速度快、安全性高等特点。2017年5月3日，中国制造出了世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机，为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

2．光子计算机

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。1990年，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。传统计算机由电流来传递和处理信息，电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快，但是采用电流做输运信息载体逐渐不能满足高速计算的要求，计算机运算速度也很难再得到提高。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，以光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于传统计算机中通过“0”和“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。目前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

3．纳米计算机

“纳米”是一个微小的计量单位，1nm等于10-9m，大约是氢原子直径的10倍。纳米计算机指将纳米技术运用于计算机领域所研制出的一种新型计算机。目前，计算机使用的硅芯片已经到达其物理极限，体积无法再缩小，通电和断电的频率无法再提高，耗电量也无法再减少。科学家认为，解决这个问题的途径是研制“纳米晶体管”，并用这种纳米晶体管来制作“纳米计算机”。纳米计算机的运算速度将是硅芯片计算机的1.5万倍，而且耗费的能量也要减少很多。2013年9月26日斯坦福大学宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机已成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体技术生产新型计算机设备。

4．神经网络计算机

人脑总体运行速度相当于1000万亿次/s的计算机，可把生物大脑神经网络看作一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算网络。从大脑工作的模型中抽取计算机设计模型，用许多处理机模仿人脑的神经元结构，将信息存储在神经元之间的联络中，并采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机。具有模仿人的大脑判断能力和适应能力、可并行处理多种数据功能的神经网络计算机，可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且可同时并行处理实时变化的大量数据，并得出结论。

神经网络计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，计算机仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆、视觉和声音识别能力。神经网络计算机可以能像人脑那样进行判断和预测。它不需要输入程序，可以直观地得出答案，也就是说它“看”到什么就能自行做出反应。它能同时接收几种信号并进行处理，而不像目前已有的计算机那样一次只能输入一个信号。

5．超导计算机

超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，其开关速度达到10-12s，运算速度比现在的电子计算机快，电能消耗量少。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应”，即由超导体—绝缘体—超导体组成的器件（约瑟夫逊器件）。与传统的半导体计算机相比，使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指令所需的时间却要快100倍。

超导现象发现以后，超导研究进展一直不快，因为实现超导的温度太低，要制造出这种低温，消耗的电能远远超过超导节省的电能。在20世纪80年代后期，科学家发现了一种陶瓷合金在-238℃时出现了超导现象。我国物理学家找到一种材料，在-141℃出现超导现象。目前，科学家还在不断尝试寻找出一种“高温”超导材料，甚至是室温超导材料。一旦这些材料找到后，人们可以利用它制成超导开关器件和超导存储器，再利用这些器件制成超导计算机。

6．生物计算机

生物计算机也称仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。信息以波的形式传播，当波沿着蛋白质分子链传播时，会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化。运算速度要比当今最新的计算机快10万倍，它具有很强的抗电磁干扰能力，并能彻底消除电路间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，且具有巨大的存储能力。生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能，自动修复芯片上发生的故障，还能模仿人脑的机制等。

生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程，是计算机世界中最年轻的分支。目前的研究方向大致是两个：一是研制分子计算机，即制造有机分子元件去代替目前的半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律，再构想生物计算机的结构。