前言
在计算机组成原理第一章中，计算机发展简史是最基础的部分。计算机诞生七十多年以来，硬件元器件持续迭代，计算机体积不断缩小、运算速度不断提升，从庞大的机房设备逐步走向个人、服务器以及各类嵌入式场景。本文基于课本内容梳理计算机发展历程。
一.计算机的五代更迭
世界上第一台电子数字计算机 ENIAC，1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学，内部含有18000多个电子管，占地约170㎡，重量达30吨，运算速度仅每秒5000次，虽然性能很低，但它开创了现代电子计算机时代。

1. 第一代（1946～1957）电子管计算机
计算机运算速度为每秒几千次至几万次，体积庞大，成本很高，可靠性较低。在此期间，形成了计算机的基本体系，确定了程序设计的基本方法。
2. 第二代（1958～1964）晶体管计算机
运算速度提高到每秒几万次至几十万次，可靠性提高，体积缩小，成本降低。在此期间，工业控制机开始得到应用，数据处理机开始得到应用。
3. 第三代（1965～1971）中小规模集成电路计算机
可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，运算速度提高到每秒几十万次至几百万次。在此期间形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现。
4. 第四代（1972～1990）大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）计算机
可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低，运算速度提高到每秒1000万次至1亿次。由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现。
5. 第五代（1991年开始）巨大规模集成电路（ULSI）计算机
运算速度提高到每秒10亿次以上。由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。

二、摩尔定律
计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。采用大规模集成电路技术可以在一块集成电路芯片上放置1000个元件，采用超大规模集成电路则可达到每块芯片上放置1万个元件，现在的巨大规模集成电路每块芯片上放置超过了100万个元件。
1965年，英特尔（Intel）公司创始人之一高登·摩尔（Gordon Moore）观察到芯片上的晶体管数量大约每年翻一番，1970年这种态势减慢成每18个月翻一番，这就是人们所称的摩尔定律。 不过，随着半导体工艺制程的持续演进，晶体管尺寸的缩减已经越来越接近物理极限，在过去数十年里一直驱动信息产业发展的摩尔定律正逐渐走向终结。自2015年起，单核处理器性能提升的比例已经由20世纪80年代的每年22%降低至现在的每年3%。未来，基于量子、光子、碳基电子等技术构造的新型芯片或将打破电路元件的限制，衍生出运算速度更快的计算机。

三、半导体存储器的发展
20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环（磁芯）做成，每个磁芯直径约1mm。这些小磁芯处在计算机内用三条细导线穿过网格板上。每个磁芯的一种磁化方向代表一个1，另一个磁化方向则代表一个0。磁芯存储器速度相当快，读存储器中的一位只需1μs。但是磁芯存储器价格昂贵、体积大，而且读出是破坏性的，因此必须有读出后立即重写数据的电路。更重要的在于工艺复杂，甚至必须手工制作。
**1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量的半导体存储器，**这块芯片的读写是非破坏性的，而且读写速度比磁芯快得多，读出一位只要70ns，但是其价格比磁芯要高。1974年，每位半导体存储器的价格开始低于磁芯。这以后，存储器的价格持续快速下跌，但存储密度却在不断增加。这导致新的机器比之前的机器更小、更快、存储容量更大等。在不到10年的时间里，存储器技术与处理器技术的发展让计算机焕发出了强大的生命力。虽然庞大而昂贵的计算机仍然存在，但计算机已经走向了个人计算机时代。 半导体存储器单芯片的容量已经从20世纪70年代的几KB逐渐提升至TB级。其存储密度逐渐提高，同时每单位半导体存储器单芯片的容量已经从20世纪70年代的几KB逐渐提升至TB级。其存储密度逐渐提高，同时每单位半导体存储器价格和存取时间都在下降。

四、微处理器的发展

与存储器芯片类似，微处理器芯片中容纳的晶体管数量也在不断增加，因此构建一个计算机处理器所需的芯片数量越来越少。
以英特尔公司的微处理器为例。1971年，英特尔公司开发出Intel 4004，这是第一个CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。Intel 4004集成了2300个晶体管，能完成两个4位二进制数相加，并可通过重复相加完成乘法运算。虽然按今天的标准而言Intel 4004过于简单，但是它却成为微处理器能力不断发展的奠基者。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比Intel 4004复杂一倍。1974年出现了Intel 8080，这是第一个通用微处理器，而Intel 4004和Intel 8008都是为特殊用途而设计的。Intel 8080是为通用微机而设计的中央处理器，它与Intel 8008一样，都是8位微处理器，但Intel 8080更快，有更丰富的指令系统和更好的寻址能力。但是直到20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，Intel 8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。Intel公司于1985年推出了32位微处理器Intel 80386，1995年推出了64位的Pentium Pro处理器。时至今日，通用处理器性能仍然是64位长，但其性能和功能已经日新月异，处理器芯片所容纳的晶体管数量可达数百亿甚至上千亿个。
五、国产处理器的发展历程
处理器是计算机的核心。中国的电子计算机科研和应用起步于20世纪50年代中后期，当时的计算机系统都是国内自主设计，同国际水平差距不大。但受制于当时的国际国内大环境，国产计算机技术逐渐落后于国际先进水平。全球计算机技术的生态环境长期被国外巨头把持，特别是在桌面通用计算机领域，英特尔架构处理器和微软（Microsoft）Windows操作系统组合而成的“Wintel”联盟长期居于统治地位，而Arm公司的Arm架构处理器和谷歌（Google）公司主导的安卓（Android）操作系统打造的“A-A”联盟则占据着移动计算机市场。
经历20世纪末的低谷之后，在国家产业政策和重点研发计划支持下，我国国产处理器自21世纪初奋起直追，多家处理器研发单位快速成长，逐步具备自主研发能力，国产处理器应用场景持续拓宽，代表性厂商包括海光、兆芯、龙芯中科、申威、飞腾、华为鲲鹏等。
海光、兆芯采用x86架构IP内核授权模式，产品性能较强，产业生态成熟，但因为依赖海外技术授权，自主可控方面存在风险；龙芯早期基于MIPS架构研发，2021年推出自研LoongArch架构，广泛应用于政企、安全、金融、能源领域；申威最早基于Alpha架构，逐步发展出自研指令集，擅长高性能超算，搭载申威处理器的神威太湖之光超级计算机曾位列全球超算TOP500第一名；飞腾依托国防科大技术积累，基于Arm指令集搭配自研内核，拥有桌面、服务器、嵌入式完整产品线；华为鲲鹏920是高性能服务器SoC，最多集成64个自研内核，集成多种外设芯片功能，集成度与能效优势显著。
现阶段国产处理器已经完成从无到有的突破，正处在由“可用”向“好用”演进阶段，努力打破国外技术垄断。不过国产处理器还面临生态小众、制造环节受限等短板，实现全面自主可控依旧任重道远。
六.📖 本章学习小结
计算机七十多年的演进，核心驱动力就是元器件的创新：电子管到晶体管，再到集成电路，硬件不断向着更小、更快、更低成本方向前进。摩尔定律曾经持续几十年驱动半导体行业快速奔跑，但是现在已经走到瓶颈，行业需要寻找新的技术路线。
与此同时，国产处理器正在奋起直追。学习计算机组成原理第一章计算机发展简史，就是梳理硬件演进的完整脉络，建立底层硬件思维，为后面章节打下基础。