電子計算機


電子計算機 （简体）

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關於一種功能較簡易的數學計算工具，詳見「計算器」。
NASA哥倫比亞超級電腦
wristwatch中的手錶型Linux系統電腦。電腦也可以很小，不限於一般所指的PC個人電腦。

電腦（英語：Computer），大陸譯為計算機，學術界譯為電子計算機，是一種根據一系列指令來對資料進行處理的機器。所相關的技術研究叫電腦科學，由資料為核心的研究稱資訊技術。普遍使用的類型為電子計算機（electronic computer）。

電腦種類繁多。實際來看，電腦總體上是處理資訊的工具。根據圖靈機理論，一部具有最基本功能的電腦，應當能夠完成任何其它電腦能做的事情。因此，只要不考慮時間和存儲因素，從個人數碼助理（PDA）到超級電腦都應該可以完成同樣的作業。即是說，即使是設計完全相同的電腦，只要經過相應改裝，就應該可以被用於從公司薪金管理到無人駕駛飛船操控在內的各種任務。由於科技的飛速進步，下一代電腦總是在性能上能夠顯著地超過其前一代，這一現象有時被稱作「摩爾定律」。

電腦在組成上形式不一。早期電腦的體積足有一間房屋大小，而今天某些嵌入式電腦可能比一副撲克牌還小。當然，即使在今天，依然有大量體積龐大的巨型電腦為特別的科學計算或面向大型組織的事務處理需求服務。比較小的，為個人應用而設計的電腦稱為微型電腦，簡稱微機。我們今天在日常使用「電腦」一詞時通常也是指此。不過，現在電腦最為普遍的應用形式卻是嵌入式的。嵌入式電腦通常相對簡單，體積小，並被用來控制其它裝置—無論是飛機，工業機器人還是數位相機。[1]

上述對於電子計算機的定義包括了許多能計算或是只有有限功能的特定用途的裝置。然而當說到現代的電子計算機，其最重要的特徵是，只要給予正確的指示，任何一台電子計算機都可以模擬其他任何電腦的行為（只受限於電子計算機本身的存儲容量和執行的速度）。據此，現代電子計算機相對於早期的電子計算機也被稱為通用型電子計算機。

目錄

歷史

ENIAC 是電腦發展史上的一個里程碑

本來，電腦的英文原詞「computer」是指從事資料計算的人。而他們往往都需要借助某些機械計算裝置或模擬電腦。這些早期計算裝置的祖先包括有算盤，以及可以追溯到公元前87年的被古希臘人用於計算行星移動的安提基特拉機制。隨著中世紀末期歐洲數學與專案學的再次繁榮，1623年由 Wilhelm Schickard 率先研製出了歐洲第一台計算裝置，這是一個能進行六位以內數加減法，並能通過鈴聲輸出答案的「計算鍾」。使用轉動齒輪來進行操作。

1642年法國數學家布萊士·帕斯卡 在 WILLIAM Oughtred 計算尺的基礎上，將計算尺加以改進，能進行八位計算。還賣出了許多製品，成為當時一種時髦的商品。

1801年，Joseph Marie Jacquard 對織布機的設計進行了改進，其中他使用了一系列打孔的紙卡片來作為編織複雜圖案的程式。Jacquard 式織布機，儘管並不被認為是一台真正的電腦，但是它的出現確實是現代電腦發展過程中重要的一步。

查爾斯・巴比奇（Charles Babbage）是構想和設計一台完全可編程電腦的第一人，當時是1820年。但由於技術條件，經費限制，以及無法忍耐對設計不停的修補，這台電腦在他有生之年始終未能問世。約到19世紀晚期，許多後來被證明對電腦科學有著重大意義的技術相繼出現，包括打孔卡片以及真空管。Hermann Hollerith設計了一台製表用的機器，就實作了應用打孔卡片的大規模自動資料處理。

在20世紀前半葉，為了迎合科學計算的需要，許許多多單一用途的並不斷深化複雜的模擬電腦被研製出來。這些電腦都是用它們所針對的特定問題的機械或電子模型作為計算基礎。20世紀三四十年代，電腦的性能逐漸強大並且通用性得到提升，現代電腦的關鍵特色被不斷地加入進來。

1937年由克勞德·艾爾伍德·香農（Claude Shannon）發表了他的偉大論文《對繼電器和開關電路中的符號分析》，文中首次提及數位電子技術的應用。他向人們展示了如何使用開關來實作邏輯和數學運算。此後，他透過研究 Vannevar Bush 的微分模擬器進一步鞏固了他的想法。這是一個標志著二進位電子電路設計和邏輯閘應用開始的重要時刻，而作為這些關鍵思想誕生的先驅，應當包括：Almon Strowger，他為一個含有邏輯閘電路的裝置申請了專利；尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla），他早在1898年就曾申請含有邏輯閘的電路裝置；Lee De Forest，于1907年他用真空管代替了繼電器。

Commodore公司在1980年代生產的Amiga 500電腦

沿著這樣一條上下求索的漫漫長途去定義所謂的「第一台電子計算機」可謂相當困難。1941年5月12日，Konrad Zuse 完成了他的機電共用裝置「Z3」，這是第一台具有自動二進位數學計算特色以及可行的編程功能的電腦，但還不是「電子」電腦。此外，其他值得注意的成就主要有：1941年夏天誕生的阿塔納索夫-貝瑞電腦是世界上第一台電子計算機，它使用了真空管計算器，二進位數值，可復用記憶體；在英國於1943年被展示的神秘的巨像電腦（Colossus computer），儘管編程能力極其有限，但是它的的確確告訴了人們使用真空管既值得信賴又能實作電力化的再編程；哈佛大學的馬克一號；以及基於二進位的「埃尼阿克」（ENIAC，1944年），這是第一台通用意圖的電腦，但由於其結構設計不夠彈性化，導致對它的每一次再編程都意味著電力物理線路的再連線。

開發埃尼愛克的小組針對其缺陷又進一步完善了設計，並最終呈現出今天我們所熟知的馮·諾伊曼結構（程式存儲體系結構）。這個體系是當今所有電腦的基礎。20世紀40年代中晚期，大批基於此一體系的電腦開始被研製，其中以英國最早。儘管第一台研製完成並投入運轉的是「小規模實驗機」（Small-Scale Experimental Machine，SSEM），但真正被開發出來的實用機很可能是EDSAC。

在整個20世紀50年代，真空管電腦居於統治地位。1958年9月12日在Robert Noyce（英特爾的創始人）的領導下，發明了整合電路。不久又推出了微處理器。1959年到1964年間設計的計算機一般被稱為第二代計算機。

到了60年代，電晶體電腦將其取而代之。電晶體體積更小，速度更快，價格更加低廉，性能更加可靠，這使得它們可以被商品化生產。1964年到1972年的計算機一般被稱為第三代計算機。大量使用積體電路，典型的機型是IBM360系列。

到了70年代，積體電路技術的引入極大地降低了電腦生產成本，電腦也從此開始走向千家萬戶。1972年以後的計算機習慣上被稱為第四代計算機。基於大規模積體電路，及後來的超大規模積體電路。1972年4月1日 INTEL推出8008微處理器。1976年，Stephen Wozinak和Stephen Jobs創辦蘋果計算機公司。並推出其 Apple I 計算機。1977年5月Apple II 型計算機發佈。1979年6月1日 INTEL 發佈了8位元的8088微處理器。

1982年, 微電腦開始普及，大量進入學校和家庭。1982年1月Commodore 64計算機發佈，價格：595 美元。1982年2月 80286 發佈。時鐘頻率提高到20MHz，並增加了保護範式，可訪問16M內存。支援1GB以上的虛擬內存。每秒執行270萬條指令，整合了134000個電晶體。

1990年11月: 第一代 MPC (多媒體個人電腦標準)發佈。處理器至少80286/12MHz，後來增加到80386SX/16MHz，及一個光驅，至少150 KB/sec的傳輸率。1994年10月10日Intel 發佈 75 MHz Pentium 處理器。1995年11月1日，Pentium Pro發佈。主頻可達 200 MHz，每秒鐘完成4.4億條指令，整合了550萬個電晶體。1997年1月8日Intel 發佈 Pentium MMX。對遊戲和多媒體功能進行了增強。

此後計算機的變化日新月異，1965年發表的摩爾定律發表不斷被應證，預測在未來10—15年仍依然適用。[CEG]

原理

個人電腦的主要結構:
  1. 顯示器
  2. 主機板
  3. CPU (微處理器)
  4. 主要儲存器 (記憶體)
  5. 擴充卡
  6. 電源供應器
  7. 光碟機
  8. 次要儲存器 (硬碟)
  9. 鍵盤
  10. 滑鼠

儘管電腦技術自20世紀40年代第一台電子通用電腦誕生以來以來有了令人目眩的飛速發展，但是今天電腦仍然基本上採用的是存儲程式結構，即馮·諾伊曼結構。這個結構實作了實用化的通用電腦。

存儲程式結構間將一台電腦描述成四個主要部分：算術邏輯單元（ALU），控制電路，存儲器，以及輸入輸出裝置（I/O）。這些部件透過一組一組的排線連線（特別地，當一組線被用於多種不同意圖的資料傳輸時又被稱為匯流排），並且由一個時鐘來驅動（當然某些其他事件也可能驅動控制電路）。

概念上講，一部電腦的存儲器可以被視為一組「細胞」單元。每一個「細胞」都有一個編號，稱為位址；又都可以存儲一個較小的定長資訊。這個資訊既可以是指令（告訴電腦去做什麼），也可以是資料（指令的處理物件）。原則上，每一個「細胞」都是可以存儲二者之任一的。

算術邏輯單元（ALU）可以被稱作電腦的大腦。它可以做兩類運算：第一類是算術運算，比如對兩個數位進行加減法。算術運算部件的功能在ALU中是十分有限的，事實上，一些ALU根本不支援電路級的乘法和除法運算（由是使用者只能透過編程進行乘除法運算）。第二類是比較運算，即給定兩個數，ALU對其進行比較以確定哪個更大一些。[2]

輸入輸出系統是電腦從外部世界接收資訊和向外部世界反饋運算結果的手段。對於一台標準的個人電腦，輸入裝置主要有鍵盤和滑鼠，輸出裝置則是顯示器，印表機以及其他許多後文將要討論的可連線到電腦上的I/O裝置。

控制系統將以上電腦各部分聯繫起來。它的功能是從存儲器和輸入輸出裝置中讀取指令和資料，對指令進行解碼，並向ALU交付符合指令要求的正確輸入，告知ALU對這些資料做哪些運算並將結果資料返回到何處。控制系統中一個重要零件就是一個用來保持跟蹤當前指令所在位址的計數器。通常這個計數器隨著指令的執行而累加，但有時如果指令指示進行跳轉則不依此規則。

20世紀80年代以來ALU和控制單元（二者合成中央處理機，CPU）逐漸被整合到一塊積體電路上，稱作微處理機。這類電腦的工作範式十分直觀：在一個時鐘周期內，電腦先從存儲器中獲取指令和資料，然後執行指令，存儲資料，再獲取下一條指令。這個過程被反覆執行，直至得到一個終止指令。

由控制器解釋，運算器執行的指令集是一個精心定義的數目十分有限的簡單指令集合。一般可以分為四類：1）、資料移動（如：將一個數值從存儲單元A拷貝到存儲單元B）2）、數邏運算（如：計算存儲單元A與存儲單元B之和，結果返回存儲單元C）3）、條件驗證（如：如果存儲單元A內數值為100，則下一條指令位址為存儲單元F）4）、指令序列改易（如：下一條指令位址為存儲單元F）

指令如同資料一樣在電腦內部是以二進位來表示的。比如說，10110000就是一條Intel x86系列微處理機的拷貝指令代碼。某一個電腦所支援的指令集就是該電腦的機器語言。因此，使用流行的機器語言將會使既成軟體在一台新電腦上運行得更加容易。所以對於那些機型商業化軟體開發的人來說，它們通常只會關注一種或幾種不同的機器語言。

更加強大的小型電腦，大型電腦和伺服器可能會與上述電腦有所不同。它們通常將任務分擔給不同的CPU來執行。今天，微處理機和多核個人電腦也在朝這個方向發展。[3]

超級電腦通常有著與基本的存儲程式電腦顯著區別的體系結構。它們通常有著數以千計的CPU，不過這些設計似乎只對特定任務有用。在各種電腦中，還有一些微控制器採用令程式和資料分離的哈佛架構（Harvard architecture）。

電腦的數位電路實作

以上所說的這些概念性設計的物理實作是多種多樣的。如同我們前述所及，一台存儲程式式電腦既可以是巴比奇的機械式的，也可以是基於數位電子的。但是，數位電路可以透過諸如繼電器之類的電子控制開關來實作使用2進位數的算術和邏輯運算。香農的論文正是向我們展示了如何排列繼電器來組成能夠實作簡單布林運算的邏輯閘。其他一些學者很快指出使用真空管可以代替繼電器電路。真空管最初被用作無線電電路中的放大器，之後便開始被越來越多地用作數位電子電路中的快速開關。當電子管的一個針腳被通電後，電流就可以在另外兩端間自由透過。

透過邏輯閘的排列組合我們可以設計完成很多複雜的任務。舉例而言，加法器就是其中之一。該器件在電子領域實作了兩個數相加並將結果保存下來—在電腦科學中這樣一個透過一組運算來實作某個特定意圖的方法被稱做一個演算法。最終，人們透過數量可觀的邏輯閘電路組裝成功了完整的ALU和控制器。說它數量可觀，只需看一下CSIRAC這台可能是最小的實用化電子管電腦。該機含有2000個電子管，其中還有不少是雙用器件，也即是說總計合有2000到4000個邏輯器件。

真空管對於製造規模龐大的門電路明顯力不從心。昂貴，不穩（尤其是數量多時），臃腫，能耗高，並且速度也不夠快—儘管遠超機械開關電路。這一切導致20世紀60年代它們被電晶體取代。後者體積更小，易於操作，可靠性高，更省能耗，同時成本也更低。

整合電路是現今電子計算機的基礎

20世紀60年代後，電晶體開始逐漸為將大量電晶體、其他各種電器元件和連線導線安置在一片矽板上的積體電路所取代。70年代，ALU和控制器作為組成CPU的兩大部分，開始被整合到一塊晶片上，並稱為「微處理機」。沿著積體電路的發展史，可以看到一片晶片上所整合器件的數量有了飛速增長。第一塊積體電路只不過包含幾十個部件，而到了2006年，一塊Intel Core Duo 處理機上的電晶體數目高達一億五千一百萬之巨。

無論是電子管，電晶體還是積體電路，它們都可以透過使用一種觸發器設計機制來用作存儲程式體系結構中的「存儲」部件。而事實上觸發器的確被用作小規模的超高速存儲。但是，幾乎沒有任何電腦設計使用觸發器來進行大規模資料存儲。最早的電腦是使用Williams電子管向一個電視屏或若干條水銀延遲線（聲波透過這種線時的走行速度極為緩慢足夠被認為是「存儲」在了上面）發無線電子束然後再來讀取的方式來存儲資料的。當然，這些儘管有效卻不怎麼優雅的方法最終還是被磁性存儲取而代之。比如說磁芯存儲器，代表資訊的電流可在其中的鐵質材料內製造恆久的弱磁場，當這個磁場再被讀出時就實作了資料恢復。動態隨機存儲器（DRAM）亦被發明出來。它是一個包含大量電容的積體電路，而這些電容器件正是負責存儲資料電荷—電荷的強度則被定義為資料的值。

輸入輸出裝置

輸入輸出裝置（I/O）是對將外部世界資訊發送給電腦的裝置和將處理結果返回給外部世界的裝置的總稱。這些返回結果可能是作為使用者能夠視覺上體驗的，或是作為該電腦所控制的其他裝置的輸入：對於一台機器人，控制電腦的輸出基本上就是這台機器人本身，如做出各種行為。

第一代電腦的輸入輸出裝置種類非常有限。通常的輸入用裝置是打孔卡片的讀卡機，用來將指令和資料匯入記憶體；而用於存儲結果的輸出裝置則一般是磁帶。隨著科技的進步，輸入輸出裝置的豐富性得到提高。以個人電腦為例：鍵盤和滑鼠是用戶向電腦直接輸入資訊的主要工具，而顯示器、印表機、擴音器、耳機則返回處理結果。此外還有許多輸入裝置可以接受其他不同種類的資訊，如數位相機可以輸入影像。在輸入輸出裝置中，有兩類很值得注意：第一類是二級存儲裝置，如硬碟，光碟或其他速度緩慢但擁有很高容量的裝置。第二個是電腦網路存取裝置，透過他們而實作的電腦間直接資料傳送極大地提升了電腦的價值。今天，網際網路成就了數以千萬計的電腦彼此間傳送各種型式的資料。

程式

簡單說，電腦程式就是電腦執行指令的一個序列。它既可以只是幾條執行某個簡單任務的指令，也可能是可能要操作巨大資料量的複雜指令佇列。許多電腦程式包含有百萬計的指令，而其中很多指令可能被反覆執行。在2005年，一台典型的個人電腦可以每秒執行大約30億條指令。電腦通常並不會執行一些很複雜的指令來獲得額外的機能，更多地它們是在按照程式設計師的排列來運行那些較簡單但為數眾多的短指令。

一般情況下，程式設計師們是不會直接用機器語言來為電腦寫入指令的。那麼做的結果只能是費時費力、效率低下而且漏洞百出。所以，程式設計師一般透過「高階」一些的語言來寫程式，然後再由某些特別的電腦程式，如直譯器或編譯器將之翻譯成機器語言。一些程式語言看起來很接近機器語言，如彙編程式，被認為是低階語言。而另一些語言，如即如抽象原則的Prolog，則完全無視電腦實際運行的操作細節，可謂是高階語言。對於一項特定任務，應該根據其事務特點，程式設計師技能，可用工具和客戶需求來選擇相應的語言，其中又以客戶需求最為重要（美國和中國軍隊的專案專案通常被要求使用Ada語言）。

電腦軟體是與電腦程式並不相等的另一個詞彙。電腦軟體一個較為包容性較強的技術術語，它包含了用於完成任務的各種程式以及所有相關材料。舉例說，一個視訊遊戲不但只包含程式本身，也包括圖片、聲音以及其他創造虛擬遊戲環境的資料內容。在零售市場，在一台電腦上的某個應用程式只是一個面向大量用戶的軟體的一個副本。這裡老生常談的例子當然還是微軟的office軟體組，它包括一些列互相關聯的、面向一般辦公需求的程式。

利用那些極其簡單的機器語言指令來實作無數功能強大的應用軟體意味著其編程規模註定不小。Windows XP這個作業系統程式包含的C++高階語言原始碼達到了4000萬行。當然這還不是最大的。如此龐大的軟體規模也顯示了管理在開發過程中的重要性。實際編程時，程式會被細分到每一個程式設計師都可以在一個可接受的時長內完成的規模。

即便如此，軟體開發的過程仍然行程緩慢，不可預見且遺漏多多。應運而生的軟體專案學就重點面向如何加快作業進度和提高效率與質量。

函式庫與作業系統

在電腦誕生後不久，人們發現某些特定作業在許多不同的程式中都要被實施，比如說計算某些標準數學函式。出於效率考量，這些程式的標準版本就被收集到一個「庫」中以供各程式叫用。許多工經常要去額外處理種類繁多的輸入輸出介面，這時，用於連線的庫就能派上用場。

20世紀60年代，隨著電腦工業化普及，電腦越來越多地被用作一個組織內不同作業的處理。很快，能夠自動安排作業時續和執行的特殊軟體出現了。這些既控制硬體又負責作業時序安排的軟體被稱為「作業系統」。一個早期作業系統的例子是IBM的OS/360。

在不斷地完善中，作業系統又引入了時間共享機制——併發。這使得多個不同用戶可以「同時」地使用機器執行他們自己的程式，看起來就像是每個人都有一台自己的電腦。為此，作業系統需要像每個用戶提供一台「虛擬機器」來分離各個不同的程式。由於需要作業系統控制的裝置也在不斷增加，其中之一便是硬碟。因之，作業系統又引入了檔案管理和目錄管理（資料夾），大大簡化了這類永久儲存性裝置的應用。此外，作業系統也負責安全控制，確保用戶只能存取那些已獲得允許的檔案。

當然，到目前為止作業系統發展歷程中最後一個重要步驟就是為程式提供標準圖形使用者介面（GUI）。儘管沒有什麼技術原因表明作業系統必須得提供這些介面，但作業系統供應商們總是希望並鼓勵那些運行在其系統上的軟體能夠在外觀和行為特徵上與作業系統保持一致或相似。

除了以上這些核心功能，作業系統還封裝了一系列其他常用工具。其中一些雖然對電腦管理並無重大意義，但是于用戶而言很是有用。比如，蘋果公司的Mac OS X就包含視訊剪輯應用程式。

一些用於更小規模的電腦的作業系統可能沒用如此眾多的功能。早期的微型電腦由於記憶體和處理能力有限而不會提供額外功能，而嵌入式電腦則使用特定化了的作業系統或者乾脆沒有，它們往往透過應用程式直接代理作業系統的某些功能。

應用

由電腦控制的機械在工業中十分常見

起初，體積龐大而價格昂貴的數位電腦主要是用做執行科學計算，特別是軍用課題。如ENIAC最早就是被用作火炮彈計算和設計氫彈時計算斷面中子密度的（如今許多超級電腦仍然在模擬核試驗方面發揮著巨大作用）。澳洲設計的首台存儲程式電腦CSIR Mk I型負責對水電專案中的集水地帶的降雨情形進行評估。還有一些被用於解密，比如英國的「巨像」可程式電腦。除去這些早年的科學或軍工應用，電腦在其他領域的推廣亦十分迅速。

從一開始，存儲程式電腦就與商業問題的解決息息相關。早在IBM的第一台商用電腦誕生之前，英國J. Lyons等就設計製造了LEO以進行資產管理或迎合其他商業用途。由於持續的體積與成本控制，電腦開始向更小型的組織內普及。加之20世紀70年代微處理機的發明，廉價電腦成為了現實。80年代，個人電腦全面流行，電子文檔寫作與印刷，計算預算和其他重複性的報表作業越來越多地開始依賴電腦。

隨著電腦便宜起來，創作性的藝術工作也開始使用它們。人們利用合成器，電腦圖形和動畫來創作和修改聲音，影像，視訊。視訊遊戲的產業化也說明了電腦在娛樂方面也開創了新的歷史。

電腦小型化以來，機械裝置的控制也開始仰仗電腦的支援。其實，正是當年為了建造足夠小的嵌入式電腦來控制阿波羅1號才刺激了積體電路技術的躍進。今天想要找一台不被電腦控制的有源機械裝置要比找一台哪怕是部分電腦控制的裝置要難得多。可能最著名的電腦控制裝置要非機器人莫屬，這些機器有著或多或少人類的外表和並具備人類行為的某一子集。在批量生產中，工業機器人已是尋常之物。不過，完全的擬人機器人還只是停留在科幻小說或實驗室之中。

機器人技術實質上是人工智慧領域中的物理表達環節。所謂人工智慧是一個定義模糊的概念但是可以肯定的是這門學科試圖令電腦擁有目前它們還沒有但作為人類卻原生的能力。數年以來，不斷有許多新方法被開發出來以允許電腦做那些之前被認為只有人才能做的事情。比如讀書、下棋。然而，到目前為止，在研製具有人類的一般「整體性」智慧的電腦方面，進展仍十分緩慢。

網路、網際網路

20世紀50年代以來電腦開始用作協調來自不同地方之資訊的工具，美國軍方的賢者系統（SAGE）就是這方面第一個大規模系統。之後「軍刀」等一系列特殊用途的商業系統也不斷湧現出來。

70年代後，美國各大院校的電腦工程師開始使用電信技術把他們的電腦連線起來。由於這方面的工作得到了ARPA的贊助，其電腦網路也就被稱為ARPANET。此後，用於ARPA網的技術快速擴散和進化，這個網路也衝破大學和軍隊的範圍最終形成了今天的網際網路（Internet）。網路的出現導致了對電腦屬性和邊界的再定義。太陽微系統公司的John Gage 和 Bill Joy就指出：「網路即是電腦」。電腦作業系統和應用程式紛紛向能存取諸如網內其它電腦等網路資源的方向發展。最初這些網路裝置僅限於為進階科學工作者所使用，但90年代後隨著電子郵件和全球資訊網（World Wide Web）技術的擴散，以及乙太網路和ADSL等網路連線技術的廉價化，網際網路已變得無所不在。今日入網的電腦總數，何以千萬計；無線互聯技術的普及，使得網際網路在移動計算環境中亦如影隨形。比如在筆記本電腦上廣泛使用的Wi-Fi技術就是無線上網的代表性應用。

下一代電腦

自問世以來數位電腦在速度和能力上有了可觀的提升，迄今仍有不少課題顯得超出了當前電腦的能力所及。對於其中一部分課題，傳統電腦是無論如何也不可能實作的，因為找到一個解決方法的時間還趕不上問題規模的擴展速度。因此，科學家開始將目光轉向生物計算技術和量子理論來解決這一類問題。比如，人們計劃用生物性的處理來解決特定問題（DNA計算）。由於細胞分裂的指數級增長方式，DNA計算系統很有可能具備解決同等規模問題的能力。當然，這樣一個系統直接受限於可控制的DNA總量。

量子電腦，顧名思義，利用了量子物理世界的超常特性。一旦能夠造出量子電腦，那麼它在速度上的提升將令一般電腦難以望其項背。當然，這種涉及密碼學和量子物理模擬的下一代電腦還只是停留在構想階段。[4]


光學計算機，使用光的行進等光學原理所製造的電腦。

電腦學科

在當今世界，幾乎所有專業都與電腦息息相關。但是，只有某些特定職業和學科才會深入研究電腦本身的製造、編程和使用技術。用來詮釋電腦學科內不同研究領域的各個學術名詞的涵義不斷發生變化，同時新學科也層出不窮。

  • 電腦專案學 是電子專案的一個分支，主要研究電腦軟硬體和二者間的彼此聯繫。
  • 電腦科學 是對電腦進行學術研究的傳統稱謂。主要研究計算技術和執行特定任務的高效演算法。該門學科為我們解決確定一個問題在電腦領域內是否可解，如可解其效率如何，以及如何作成更加高效率的程式。時至今日，在電腦科學內已經衍生了許多分支，每一個分支都針對不同類別的問題進行深入研究。
  • 軟體專案學 著重於研究開發高質量軟體系統的方法學和實踐方式，並試圖壓縮並預測開發成本及開發周期。
  • 資訊系統 研究電腦在一個廣泛的有組織環境（商業為主）中的電腦應用。
  • 電腦散熱學 材料與風扇的研用。
  • 機構學 構體和外殼的研用。
  • 材料學

許多學科都與其他學科相互交織。如地理資訊系統專家就是利用電腦技術來管理地理資訊。

全球有三個較大規模的致力於電腦科學的組織：英國電腦學會 （BCS）；美國電腦協會（ACM）；美國電力電子工程師協會（IEEE）。

參見

參考文獻

  1. ^ Meuer, Hans; Strohmaier, Erich; Simon, Horst; Dongarra, Jack (2006-11-13). Architectures Share Over Time. TOP500. Retrieved on 2006-11-27.
  2. ^ Digital Equipment Corporation (1972). PDP-11/40 Processor Handbook (PDF), Maynard, MA: Digital Equipment Corporation.
  3. ^ Digital Equipment Corporation (1972). PDP-11/40 Processor Handbook (PDF), Maynard, MA: Digital Equipment Corporation.
  4. ^ Stokes, Jon (2007). Inside the Machine: An Illustrated Introduction to Microprocessors and Computer Architecture. San Francisco: No Starch Press. ISBN 978-1-59327-104-6.







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