1.1.2 计算机的特点、分类、应用及发展趋势

1. 认识计算机的特点、分类及应用

（1）计算机的特点

① 运行速度快，计算能力强。运算速度是衡量计算机性能的重要指标。通常所说的运算速度是指计算机每秒能执行的指令条数，一般用MIPS（百万条指令/秒）来描述。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上。过去采用人工计算需要几年、几十年才能解决或验证的问题，现在用计算机仅需几天甚至更短时间即可完成。

② 计算精度高，数据准确度高。计算机的计算精度在理论上不受限制，一般的计算机可以有十几位甚至几十位（二进制）有效数字，通过一定的技术手段，可以实现任何精度要求。19世纪英国数学家曾经为计算圆周率花了整整15年时间，才算到第707位，而日本东京大学的教授利用超级计算机将其计算到小数点后1.2万亿位。

③ 具有超强的记忆和逻辑判断能力。由于计算机具有记忆信息的能力，运算时可以直接从存储单元中获得数据，从而大大提高了运算速度。借助于逻辑运算，计算机可以进行逻辑判断，分析命题是否成立。例如，世界近代三大数学难题之一的“四色问题”，在被提出后的100多年间，世界上许多一流的数学家纷纷参加到证明的“大会战”中，却都没有结果。1976年，两位美国数学家使用计算机进行了非常复杂的逻辑推理，终于验证了这个著名的猜想。

④ 自动化程度高。与其他机器一样，计算机的操作同样受人类的控制，但由于计算机具有内部存储能力，所以人们可以将指令预先输入并进行存储。当计算机开始工作后，会从存储单元中依次读取指令以控制操作流程，从而实现操作的自动化。

（2）计算机的常见分类

① 按性能指标划分

超级计算机：又称巨型机，通常由数百、数千甚至更多的处理器组成，能承担普通微型机、服务器不能完成的大型复杂课题，多用于高精尖科技研究领域，如战略武器开发、空间技术、天气预报等，是综合国力的重要标志。由国际组织“TOP500”编制的2022年上半年全球超级计算机500强榜单日前揭晓。榜单显示，在全球浮点运算性能最强的500台超级计算机中，中国部署的超级计算机数量继续位列全球第一，达到173台，占总体份额的34.6%；“神威·太湖之光”和“天河二号”分列榜单第六、第九位。

大型机：具有极强的综合处理能力和极大的性能覆盖面，主要应用于政府部门、银行、大型企业。虽然大型主机的MIPS已经不及微型计算机，但是它的输入/输出（I/O）能力、非数值计算能力、稳定性和安全性却远强于微型计算机。目前生产大型主机的公司包括IBM、Unisys等。

小型机：是指采用8～32个处理器，性能和价格介于微型机服务器和大型主机之间的一种高性能64位计算机。这种计算机规模比大型机要小，但仍能支持几十个用户同时使用，适合于中小型企事业单位使用。生产小型机的厂商主要有IBM和HP等。

微型机：简称微机，是应用最普及、产量最大的机型，其体积小、功耗低、成本少、灵活性大、性能价格比明显优于其他类型的计算机。微机按结构和性能可划分为单片机、单板机、个人计算机（Personal Computer，简称PC，包括台式微机和便携式微机）、工作站和服务器等。

② 按用途划分

专用计算机：为适应某种特殊应用而设计的计算机，其运行的程序不变、效率和精度较高、速度较快。控制轧钢过程的计算机、计算导弹弹道的计算机，都是专用计算机。

通用计算机：适用于一般科学计算、工程设计和数据处理等的计算机。通常说的计算机均指该类型的计算机。

（3）计算机的应用领域

计算机技术已渗透到各个领域，正在改变着人们的学习、工作和生活方式，有力地推动着社会向前发展。归纳起来，计算机的应用领域主要有如下几个方面。

① 信息处理。信息处理又称数据处理，是对数据进行收集、存储、整理、分类、加工、利用和传播等活动的总称。据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类处理也许并不复杂，但需要处理的数据量大、面广，办公自动化、情报检索、图书管理、人口统计、银行业务、机票预订都属于该范畴。

② 科学计算。科学计算也称数值计算，是指利用计算机处理科学研究和工程技术中提出的数学问题的过程，是计算机最早的应用领域。航天、军事、气象、桥梁设计等领域都需要利用计算机所具有的高速计算、大存储容量和连续运算能力，来解决人工难以完成的各种繁杂的数学问题。

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，按最优值迅速地对受控对象进行自动调节或控制。该领域涉及的范围很广，如工业、交通运输的自动控制，对导弹、人造卫星的跟踪与控制等。

④ 计算机辅助系统。计算机辅助系统是指利用计算机自动或半自动地完成一些相关的工作，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教学（CAI）和计算机辅助工程（CAE）等。例如，CAD在航空、机械、建筑、服装等领域的广泛应用明显提高了设计速度与质量。

⑤ 人工智能。人工智能（AI）由英国著名科学家图灵提出，是一门研究和开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的新兴学科，被认为是21世纪的三大尖端技术（基因工程、纳米科学、人工智能）之一。人们为了纪念图灵在计算机领域的卓越贡献，专门设立了“图灵奖”。经过最近30年的迅速发展，人工智能在机器视觉、专家系统、智能搜索等领域取得了丰硕的成果。我国已成功开发了一些中医专家诊断系统，可以模拟名医为患者诊病开方。

⑥ 网络应用。计算机技术与现代通信的结合造就了计算机网络，它使人际交流跨越了时间和空间的障碍，已成为建立信息社会的基础。现在，人们可以在Internet上浏览新闻、检索信息、收发电子邮件、选购商品、参与问题的讨论、接受远程医疗与网上银行等服务。

⑦ 多媒体技术。多媒体技术（Multimedia Technology）是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息进行综合处理、建立逻辑关系，并实现人机交互的技术。目前，多媒体技术在知识学习、电子图书、视频会议中都得到了极大的推广。

2. 了解计算机的发展趋势

未来的计算机将朝着超高速、超小型、并行处理和智能化的方向发展，具有感知、思考、判断、学习能力以及一定的自然语言能力。

（1）量子计算机

量子计算机是利用原子所具有的量子特性进行信息处理的一种全新概念的计算机，其运算速度可能比目前的奔腾4芯片快10亿倍。

（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、信息存储和处理的新型计算机，其运行速度可达一万亿次，存储容量是现代计算机的几万倍，还可以对语言、图形和手势进行识别与合成。目前，光子计算机的许多关键技术已获得突破，它的进一步研制和问世，将使计算速度呈指数级别上升。

（3）分子计算机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大，其运算过程是蛋白质分子与周围介质相互作用的过程。分子计算机的运行速度比人的思维速度快100万倍，其消耗的能量极小，只有电子计算机的十亿分之一。美国、以色列的科学家在分子计算机研制方面已取得一定的成果，预计20年后，分子计算机将进入实用阶段。

（4）纳米计算机

应用纳米（1纳米=10^-9米，大约是氢原子直径的10倍）技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于头发丝直径的千分之一。纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机，它几乎不耗费任何能源，性能要比今天的计算机强大许多倍。

可以相信，新型计算机与相关技术的研发和应用，必将推动全球经济社会高速发展，实现人类发展史的重大突破。随着一代又一代科学家们的不懈努力，未来的计算机一定会使得人们的工作、学习和生活更加便利。