傳統計算機

復旦大學的陶瑞寶院士表示，如果不從根本上改變，傳統計算機的發展速度將越來越慢，10-15年後，徹底停滯不前。這一論斷得到了院士們的認同。

按人的要求接收和存儲信息，自動進行數據處理和計算，並輸出結果信息的機器系統。傳統計算機是腦力的延伸和擴充，是近代科學的重大成就之一。

傳統計算機系統由硬件（子）系統和軟件（子）系統組成。前者是藉助電、磁、光、機械等原理構成的各種物理部件的有機組合，是系統賴以工作的實體。後者是各種程序和文件，用於指揮全系統按指定的要求進行工作。

自1946年第一台電子傳統計算機問世以來，傳統計算機技術在元件器件、硬件系統結構、軟件系統、應用等方面，均有驚人進步。現代傳統計算機系統小到微型傳統計算機和個人傳統計算機，大到巨型傳統計算機及其網絡，形態、特性多種多樣，已廣泛用於科學計算、事務處理和過程控制，日益深入社會各個領域，對社會的進步產生深刻影響。

電子傳統計算機分數字和模擬兩類。通常所説的傳統計算機均指數字傳統計算機，其運算處理的數據，是用離散數字量表示的。而模擬傳統計算機運算處理的數據是用連續模擬量表示的。模擬機和數字機相比較，其速度快、與物理設備接口簡單，但精度低、使用困難、穩定性和可靠性差、價格昂貴。故模擬機已趨淘汰,僅在要求響應速度快,但精度低的場合尚有應用。把二者優點巧妙結合而構成的混合型傳統計算機，尚有一定的生命力。

傳統計算機系統的特點是能進行精確、快速的計算和判斷,而且通用性好,使用容易，還能聯成網絡。①計算：一切複雜的計算，幾乎都可用傳統計算機通過算術運算和邏輯運算來實現。②判斷：傳統計算機有判別不同情況、選擇作不同處理的能力,故可用於管理、控制、對抗、決策、推理等領域。③存儲：傳統計算機能存儲巨量信息。④精確：只要字長足夠，計算精度理論上不受限制。⑤快速：傳統計算機一次操作所需時間已小到以納秒計。⑥通用：傳統計算機是可編程的，不同程序可實現不同的應用。⑦易用：豐富的高性能軟件及智能化的人-機接口,大大方便了使用。⑧聯網：多個傳統計算機系統能超越地理界限，藉助通信網絡，共享遠程信息與軟件資源。

圖1為傳統計算機系統的層次結構。內核是硬件系統，是進行信息處理的實際物理裝置。最外層是使用傳統計算機的人，即用户。人與硬件系統之間的接口界面是軟件系統，它大致可分為系統軟件、支援軟件和應用軟件三層。

硬件系統主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出控制系統和各種外部設備組成。中央處理器是對信息進行高速運算處理的主要部件，其處理速度可達每秒幾億次以上操作。存儲器用於存儲程序、數據和文件，常由快速的主存儲器（容量可達數百兆字節，甚至數G字節）和慢速海量輔助存儲器（容量可達數十G或數百G以上）組成。各種輸入輸出外部設備是人機間的信息轉換器,由輸入-輸出控制系統管理外部設備與主存儲器(中央處理器)之間的信息交換。

軟件系統的最內層是系統軟件，它由操作系統、實用程序、編譯程序等組成。操作系統實施對各種軟硬件資源的管理控制。實用程序是為方便用户所設，如文本編輯等。編譯程序的功能是把用户用匯編語言或某種高級語言所編寫的程序，翻譯成機器可執行的機器語言程序。支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環境數據庫等，它能支持用機的環境，提供軟件研製工具。支援軟件也可認為是系統軟件的一部分。應用軟件是用户按其需要自行編寫的專用程序，它藉助系統軟件和支援軟件來運行，是軟件系統的最外層。軟件還可分為系統軟件與應用軟件兩種

傳統計算機系統可按系統的功能、性能或體系結構分類。 ① 專用機與通用機:早期傳統計算機均針對特定用途而設計, 具有專用性質。60年代起, 開始製造兼顧科學計算、事務處理和過程控制三方面應用的通用傳統計算機。特別是系列機的出現，標準文本的各種高級程序語言的採用,操作系統的成熟,使一種機型系列選擇不同軟件、硬件配置，就能滿足各行業大小用户的不同需要，進一步強化了通用性。但特殊用途的專用機仍在發展，例如連續動力學系統的全數字仿真機，超微型的空間專用傳統計算機等。

② 巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機:傳統計算機是以大、中型機為主線發展的。60年代末出現小型傳統計算機,70年代初出現微型傳統計算機,因其輕巧、價廉、功能較強、可靠性高，而得到廣泛應用。70年代開始出現每秒可運算五千萬次以上的巨型傳統計算機，專門用於解決科技、國防、經濟發展中的特大課題。巨、大、中、小、微型機作為傳統計算機系統的梯隊組成部分,各有其用途,都在迅速發展。

③ 流水線處理機與並行處理機:在元件、器件速度有限的條件下，從系統結構與組織着手來實現高速處理能力,成功地研製出這兩種處理機。它們均面向ɑiθbi=ci（i=1，2，3，…,n；θ為算符）這樣一組數據（也叫向量）運算。流水線處理機是單指令數據流(SISD)的，它們用重疊原理，用流水線方式加工向量各元素，具有高加工速率。並行處理機是單指令流多數據流(SIMD)的，它利用並行原理,重複設置多個處理部件,同時並行處理向量各元素來獲得高速度(見並行處理傳統計算機系統)。流水和並行技術還可結合，如重複設置多個流水部件，並行工作，以獲得更高性能。研究並行算法是發揮這類處理機效率的關鍵。在高級程序語言中相應地擴充向量語句，可有效地組織向量運算；或設有向量識別器，自動識別源程序中的向量成分。

一台普通主機(標量機)配一台數組處理器（僅作高速向量運算的流水線專用機）,構成主副機系統,可大大提高系統的處理能力，且性能價格比高，應用相當廣泛。

④　多處理機與多機系統、分佈處理系統和傳統計算機網：多處理機與多機系統是進一步發展並行技術的必由之路，是巨型、大型機主要發展方向。它們是多指令流多數據流(MIMD)系統,各機處理各自的指令流(進程),相互通信，聯合解決大型問題。它們比並行處理機有更高的並行級別，潛力大,靈活性好。用大量廉價微型機,通過互連網絡構成系統，以獲得高性能，是研究多處理機與多機系統的一個方向。多處理機與多機系統要求在更高級別（進程）上研究並行算法，高級程序語言提供併發、同步進程的手段，其操作系統也大為複雜，必須解決多機間多進程的通信、同步、控制等問題。

分佈系統是多機系統的發展，它是由物理上分佈的多個獨立而又相互作用的單機，協同解決用户問題的系統，其系統軟件更為複雜（見分佈傳統計算機系統）。

現代大型機幾乎都是功能分佈的多機系統，除含有高速中央處理器外，有管理輸入輸出的輸入輸出處理機（或前端用户機）、管理遠程終端及網絡通信的通信控制處理機、全系統維護診斷的維護診斷機和從事數據庫管理的數據庫處理機等。這是分佈系統的一種低級形態。

多個地理上分佈的傳統計算機系統，通過通信線路和網絡協議，相互聯絡起來，構成傳統計算機網。它按地理上分佈的遠近，分為局部（本地）傳統計算機網和遠程傳統計算機網。網絡上各傳統計算機可相互共享信息資源和軟硬件資源。訂票系統、情報資料檢索系統都是傳統計算機網應用的實例。

⑤　諾伊曼機與非諾伊曼機：存儲程序和指令驅動的諾伊曼機迄今仍佔統治地位。它順序執行指令，限制了所解問題本身含有的並行性，影響處理速度的進一步提高。突破這一原理的非諾伊曼機，就是從體系結構上來發展並行性，提高系統吞吐量，這方面的研究工作正在進行中。由數據流來驅動的數據流傳統計算機以及按歸約式控制驅動和按需求驅動的高度並行傳統計算機，都是有發展前途的非諾伊曼傳統計算機系統。

如果繼續使用現在的芯片，15年以後，傳統計算機的發展將走到盡頭。在昨天由上海中國工程院院士中心召開的院士沙龍上，院士們預言，10-15年後將是傳統傳統計算機發展的“死限”，院士呼籲我國應加快研製量子傳統計算機。