從石塊計數到“超級電腦”

　　在漫長的歷史長河中，人類所運用的運算工具，經歷了由簡單到復雜、由低級向高級的發展變化。這一演變過程，反映了人類認識世界、改造世界的艱辛歷程和科技發展的廣闊前景。
　　
　　計算演化與時俱進
　　
　　在原始社會，人類進行計算的方法十分簡單，只需把石塊放進皮袋或把貝殼串成串，就可以“一一對應”計算出需要計數的物品。后來，人們又發明了在長繩上打結記事或計數。采用這樣的“結繩計數”方法，比用石塊、貝殼要輕便許多。與此同時，手指計數也是當時常用的方法。至今，有些地區的少數民族還用“手”表示“五”，用“人”表示“二十”。有人研究推測，“十進制”被廣泛運用，應該與手指計數大有關聯。
　　考古工作者考證出湖南省長沙楚墓出土的幾十根長約12厘米的小竹棍，就是古人用來計算的算籌，這是我國所能見到的年代雖久遠的實物：而楚人也是我國古代最早使用算籌進行計算的先民。經專家研究，算籌有兩種排列方式：一種是縱式，1至5為并列豎排，6至9為橫豎相交，一豎一橫表示6，四豎一橫表示9；另一種模式則是1至5并列橫排，6至9豎橫相交，與縱式恰好相反。進行計算時，算籌縱橫交叉使用，以十進位，零為空位。《老子》一書中講到：“善計者不用籌策”，表明那時算籌已經相當普遍了。自春秋戰國以來，使用算籌進行計算一直沿用了近兩千年。除竹制之外，還有木、鐵、玉石、象牙制的算籌。把算籌裝在袋子里或筆筒中隨身攜帶，這就是古人說的“算袋”或“算子筒”。唐代曾經規定，文武官員都必須備有算袋，以提高決策的科學性。我國古代數學家劉徽，用算籌把圓周率計算到3.1410。而祖沖之則更為精確地計算到小數點后第七位。
　　算籌在計算時需要一定的場地，特別是多位數計算占地較大，而且運算過程轉瞬即逝。為了克服算籌的弊端，到了宋元時期，人們根據算籌的計算原理，發明了算盤。1366年，陶宗義著《南村輟耕錄》中，最初提到“算盤”一詞，并說“撥之則動”。15世紀《魯班木經》中，很為詳細地記載了算盤的制作方法。算盤以圓珠代替“算籌”，并將其連成整體，簡化了操作過程，運用時更加得心應手。到了元末明初以后，珠算則逐漸取代籌算，成為通用的計算工具。在算盤中，上面的子一個代表5，下面的子一個代表1，是從算籌延續下來。算籌運算的規則和口訣，算盤也都繼續沿用。從某種意義上講，算籌可以說是算盤的祖先。利用算盤不但可以做加減乘除四則運算，還可以乘方開方。即使是多元高次方程這樣高深的數學難題，利用算盤同樣可以解出來。
　　珠算是中國的一大發明，雖然歷史古老，但現在仍然具有旺盛的生命力，不但在中國如此，就是號稱“電腦王國”的美國和日本，也十分重視珠算的使用和普及。美國加州的大部分小學都開設珠算課；日本人則把珠算與讀書、寫字并列為國民應當具有的基本技能。現在，一種新型的電子算盤已經問世，它把算盤與電子計算器的長處集為一體，是一種中外結合的新型計算工具。
　　
　　齒輪計算風光顯赫
　　
　　1520年，英國人甘特發明了計算尺，運用到一些特殊的運算中，既快速又省時。到了1642年，法國數學家巴斯嘉制造出世界上最早的手搖計算機。它用一個個齒輪表示數字，以齒輪間的咬合裝置實現進位，低位齒輪轉十圈，高位齒輪轉一圈。經過逐步改進，它既能做加、減法，又能做乘、除法，運算操作也更加簡捷、快速。1878年，瑞典發明家奧涅爾制造出一種利用齒數可變功能進行演算的手搖計算機。這種計算機的主要特點是，利用齒數可變的齒輪代替階梯形軸。其中，字輪與基數齒輪之間沒有中間齒輪，數字直接刻在可變齒輪上，并在外殼窗口中加以顯示。
　　到了19世紀80年代，各種機械計算機陸續采用鍵盤置數的辦法。這種計算機在進行除法運算時，要注意聽信號鈴聲，當減去除數的次數過頭時，就會響鈴，提醒操作者將多減的次數補回來。1905年，一位名b9d2711ef8d86328410c99914ca4a0bc叫加門的德國人，在鍵盤置數的計算機中采用了“比例杠桿原理”，使計算機在操作時產生的噪聲很小，做除法運算時也不用專心注意鈴響，逐漸成為一種廣為流傳的機械計算機。1936年荷蘭飛利浦公司制造出一種二進制手搖機械式計算機。由于結構簡單，操作方便，在20世紀二三十年間一度成為非常重要的計算工具。
　　用手搖作為動力的機械計算機，應用范圍十分廣泛。它能夠進行四則運算、平方數、立方數、開平方、開立方，還可以輸入三角函數和對數。我國第一顆原子彈的研制，就曾使用這種計算機來進行數據計算。不過，手搖計算機也有不足，比如計算的數據中有括號就比較麻煩，需要正搖幾圈，反搖幾圈，重復多次；另外還要用紙筆記錄，既費時又費力。20世紀70年代，使用晶體管和數碼管的計算器出現以后，手搖計算機就退出了歷史舞臺。
　　
　　超級電腦前景廣闊
　　
　　1946年初，美國賓夕法尼亞大學厄克特博士和物理學家毛希利博士研制成功世界上第一臺電子計算機。這是一種根據一系列指令對數據進行處理的機器，俗稱“電腦”。
　　電子計算機的種類繁多，但總體上都是處理信息數據的工具。隨著科技的飛速進步，新一代計算機出現之后，在性能上總是要明顯超過前一代。早期計算機的體積足有一間房屋大小，而今天某些嵌入式計算機可能比一副撲克牌還小。小型的、為個人應用而設計的計算機被稱為微型計算機，簡稱微機。我們日常使用“計算機”一詞時，通常大都是指這種計算機。當然，在特別的科學計算或面向大型組織的事務處理中，依然有大量體積龐大的計算機在工作著。
　　我國國防科技大學研制的“天河一號”超級計算機，其峰值運算速度為每秒4700萬億次。“天河一號”運算1小時，相當于全國13億人同時計算340年以上；“天河一號”運算一天，相當于一臺主流微機運算620年的總和。
　　超級計算機又稱高性能計算機、巨型計算機，是世界公認的高新技術制高點和21世紀最重要的科學領域之一。1994年，美國航空航天總署的戈達德太空飛行中心的科技人員，建造了世界上第一組個人臺式電腦機群超級計算機。現如今，超級計算機已成為研究全球氣候變化、高能粒子、天體變化、核反應等的關鍵工具。日本開發的“地球模擬器”超級計算機可提供全球性天氣預報。在運行過程中，該計算機需要將地球表面分割為許多大約10平方千米的區域，這樣就需要處理5000多萬套大氣及海流的變化數據。為了對這些數據進行及時處理以做出天氣預報，以往需要數千臺計算機處理器來進行共同運算，而該臺超級計算機完全可以獨自擔當重任。
　　科學家通過超級計算機揭示了黑洞質量之謎。在大約1億年的時間里，黑洞質量不斷增長，將更多氣體燃料吸引到自己身邊，氣體在向黑洞靠近時變得更熱、更明亮。這樣，融合后的星系核就成了一個類星體。按照超級計算機的模擬結果，大黑洞在經歷稱為“類星體”的成長階段時，周圍熾熱的氣體物質會爆發，產生一股強大的宇宙風，將絕大部分氣體塵云從黑洞附近乃至整個星系里刮走，拋入深空。放完這個巨大的“宇宙焰火”之后，黑洞沒有了“食物”，質量不再增長。
　　超級計算機對于一個國家的經濟發展具有十分重要的意義。這是因為，越來越多的用戶需要實施技術計算任務，用以挖掘采購和供應趨勢的數據。超級計算機強大的運算能力使模擬更加準確，為降低成本、增加效率提供了依據。現在，運用超級計算機對產品設計進行模擬，也已經成為現代產品設計領域的標準工具。作為中國高技術研究發展計劃(863計劃)中重大項目的“天河一號”，設計始于2008年。它采用了“多陣列可配置協同并行體系結構”等多項關鍵創新技術，綜合技術水平位居世界前列，具有高性能、高能效、高安全和易使用的特點。2010年年底，這臺由103個機柜組成、占地面積近千平方米、總重量155噸的龐大計算機安裝到了中國兩個國家級超級計算中心之一的天津中心，開始向國內外用戶提供超級計算服務。“天河一號”將在資源勘探、生物醫藥研究、航空航天裝備研制、金融工程、新材料開發等方面得到廣泛應用。
　　科學家預計，未來10年左右時間，世界上將研制出運算速度超過每秒百萬萬億次(即10的18次方)的超級計算機。這一速度是目前世界上最快計算機的1000倍。
　　
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