本文从发展历史和分类两方面介绍计算机。
历史上，计算机历经前电子计算、电子管、晶体管、集成电路、微处理器和现代化时代，从机械工具逐步发展到电子设备，再到如今的云计算和量子计算技术。
对计算机分类，包括经典分类，以及现代化分类，不同类型有各自特点和应用领域。
发展历史
前电子计算时代
简述
这个时期的标志是使用纯机械设备进行计算。
介绍
17世纪以前，人们使用 “算盘”“计算尺” 等工具手动计算，它们被视为基于机械原理进行计算。
1642年，布莱兹·帕斯卡发明了帕斯卡计算器，用于加减法计算，不具有编程性。
1673年，戈特弗里德·莱布尼兹改进了帕斯卡计算器，让其支持四则运算。
1837年，查尔斯·巴贝奇提出分析机，定义了五个核心部件：输入、处理、存储、控制、输出。助理阿达·洛芙莱斯为其编写了程序。
1890年，赫尔曼·霍尔瑞斯发明打孔卡制表机，开创性地用电气替代了纯机械，计算效率得到提升，标志着数据处理自动化的开端。该公司后发展为成立IBM的三家公司之一。
备注
- 查尔斯·巴贝奇被誉为 “计算机之父” 或 “通用计算机之父” 。
- 阿达·洛芙莱斯被誉为 “第一个程序员” 。
电子管时代
简述
这个时期的标志是使用电子管作为逻辑开关元件，计算机走向电子化（不再是纯机械）。
理论基础是克劳德·香农的《开关电路理论》，将布尔代数与电路结合，为数字电路设计奠定了基础。
介绍
1939-1942年，ABC计算机诞生，是世界上第一台电子计算机，但不可编程。
1943-1944年，英国的巨人计算机秘密运行，用于破译密码，是第一台可编程的电子计算机。
1944年，哈佛Mark I计算机诞生，是最后一台大型机电式计算器（使用继电器工作），能够自动化执行复杂计算，是计算机从纯机械到电子的重要过渡。
1945年，冯·诺依曼在设计汇报EDVAC（新机器）时，针对ENIAC的缺陷（此时ENIAC还在实验中，未公布）提出了“存储程序”的构想，该设计奠定了现代计算机体系结构。
1946年，ENIAC在美国公开，通常认为其是世界上第一台通用计算机。其体积庞大（占地170平米），需要18000个电子管，能耗大，编程需要插拔电缆和设置开关来完成。
备注
- 冯·诺依曼被誉为“现代计算机之父”。
- 哈佛Mark I计算机被称为“哈佛结构”，冯·诺依曼提出的结构被称为“冯·诺依曼结构”，或称为“普林斯顿结构”。二者在一定程度上有互补性，“哈佛结构”衍生出“改进型哈佛结构”调和了二者的优势和劣势。“冯·诺依曼结构”成为现代结构的主要奠基，“哈佛结构”反而催生了现代CPU缓存设计，称为“片上哈佛”。
晶体管时代
简述
晶体管和电子管都可以实现数字电路控制、模拟信号放大。而晶体管体积、功耗更小，可靠性更高。晶体管在取代电子管后，推动了计算机小型化、商用化。
介绍
1947年，贝尔实验室发明晶体管。
20世纪50年代中后期，晶体管计算机走向商业用途。它们不再局限于科研机构，而是到大型企业、银行等，负责财务、库存等业务。
集成电路时代
简述
1958年，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯发明了集成电路，将多个晶体管集成到单一芯片上。
介绍
1964年，IBM推出System/360，定义了大型机。它采用集成电路，是首个系列化、软件兼容的大型机家族。
1965年，DEC推出的PDP-8被公认为第一台真正的小型机。其体积更小（仅一个冰箱大小），价格1.8万美金（大型机动辄百万）。
1970年，DEC发布了更强大的PDP-11系列，称为小型机经典和行业标准。
备注
- 系列化：不是推出一款单一的计算机，而是推出由不同性能、尺寸和价格组成的“计算机族”。类似于买手机时的各种配置（iPhone 17、iPhone 17 Pro、iPhone 17 Pro Max）。一个“计算机族”的用户体验是相同的，界面一样，程序员的编程模型也相同。从低端型号也可以平滑升级到高端，而不需要抛弃已有软件。
- 软件兼容：得益于CPU的统一指令集架构，一致的I/O架构，软件可以轻松移植。
- 此时期以集中式计算为主，用户使用“哑终端”负责输入输出（往往不具备通用计算能力），与服务器连接进行计算（共享中央大型机的计算资源）。
微处理器时代
简介
将整块CPU集成到一个芯片中（MPU），在之前大型机时代CPU可能由多个芯片组成。
介绍
1971年，Intel推出第一颗微处理器4004。
1977年，“个人电脑三巨头”问世：Apple II、Commodore PET和TRS-80。
1981年，IBM PC发布，使用Intel处理器和MS-DOS操作系统。
1984-1985年，Macintosh和Windows操作系统普及了用户操作界面。
1991年，Linux内核和GNU等开源运动蓬勃发展，深刻影响了服务器领域。
2007年，Apple发布iPhone，重新把手机定义为“智能手机”。
备注
- 在一般语境下MPU和CPU是相同的含义。
- 在嵌入式领域中MPU一般用于和MCU产生对比。
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- MCU集成了CPU、RAM等许多部件到一个芯片上。
- MPU与其相反，MPU只有简单的CPU，依赖外部的RAM等外设。
- Apple把手机从“可以上网的电话”重新定义为“可以打电话的电脑”，并大胆地放弃物理键盘，让电容屏占据手机主导位置。在此之前，手机一般包含全键盘型（黑莓）、数字键盘（诺基亚）或电阻屏。操作系统复杂、软件生态割裂、只能访问简单的网站（WAP网络）获取新闻等。
- 不可否认的是Apple并非这一切的创造者，在此之前触控屏（电容屏）技术、移动操作系统等都早已存在，Apple更像是一个整合者和标准定义者。
现代化时代
简介
通过虚拟化技术，为用户提供云上弹性计算资源。满足用户大数据、AI等方面的需求。
介绍
2006年，亚马逊推出弹性计算云（EC2） 和简单存储服务（S3） 。
如今，大数据与AI大量依赖GPU算力、更多嵌入式设备使用物联网与服务器连接、量子计算正在兴起。
计算机分类
经典分类
超级计算机/超级计算集群
超级计算机本身是一个集群，它是由节点通过高速网络相连而组成，提供极致的科学算力。
节点
一台功能完整的高性能服务器。拥有自己的CPU、内存、本地存储、网络接口等。
异构
节点中可能有异构计算，例如CPU负责控制，GPU等负责运算。
通信
每个CPU有自己的核心和私有内存。CPU内核心使用片上系统网络SoC通信，也可以用共享内存通信。
不同CPU之间通过高速网络进行通信。
任务
主要追求浮点数计算能力，因为超级计算机最主要的设计目的就是模拟现实。而现实的物理量往往是连续的，精度在此时尤为重要。根据混沌系统的特性可知，初始的一小点偏差都会导致截然不同的结果。
大型机
大型机是集中式计算的一个代表，它要求绝对可靠，全年不宕机（高可用率）。目前已经基本淡出人们视野，只在特殊领域（例如：金融）会见到。
冗余
设有多套CPU、内存等物理设备。某个设备宕机时，可秒级切换，确保服务不会中断。
多套CPU同时运算，验证结果，确保计算正确。
封闭
大型机的设计很封闭，有专门为其设计的操作系统和软件。大型机被设计出来后一般包罗万象，操作系统内含有大量厂商开发的工具。
小型机
小型机在体型上比大型机更小，也去除了冗余设置，在软件层面更开放。目前因微型机诞生，小型机已经在市场消亡。
冗余
与大型机不同的是，小型机没有冗余的CPU、内存等。往往采用横向扩展的方式，当一台服务器故障时，整机下线，服务引流到其他正常的服务器。
软件生态开放
小型机一般运行Unix操作系统（或者其变体），是专门适配于该小型机的。但小型机提供标准化的API接口（系统调用），使得软件开发变得容易。
微型机
CPU直接封装到一块芯片中，比小型机更小，继承了小型机的优点，消除了小型机的劣势。
软硬件生态开放
硬件、软件都有统一标准和开放的生态。用户可以挑选自己的CPU、显卡、主板等自由组装。也可以根据需要安装操作系统，并在操作系统上安装所需要的软件。
B端市场
使用微型机作为服务器成本更低，小型机的市场份额被占据，最终导致小型机在市场消亡。
高端微型机可以作为工作站使用，用于渲染视频等高算力任务。
C端市场
微型机延伸到了C端，取代了“哑终端”。
嵌入式
嵌入式设备的核心分为MCU和MPU两种。
- MCU（微控制器） ：集成了CPU、内存、时钟、电源管理、程序存储器等一系列功能单元的集成电路（一块芯片，也称单片机）。
- MPU（微处理器） ：与MCU相反，自身（芯片）没有集成这么多功能单元，运行时必须依赖外部设备（例如内存）。通常，MPU和CPU是指相同的东西。
嵌入式负责的是“非通用计算领域”，和前面提到的计算机（通常指通用计算机）并不相同。
现代分类
超级计算机/超级计算集群
提供极致科学算力。
大型机
确保核心数据安全，计算过程绝对可靠。
服务器/服务器集群/云服务
通用企业服务与灵活（弹性）扩展。
一般为x86或x86_64架构。
取代了昔日小型机。
PC/智能手机
个人与移动计算。
