从石块计数到“超级电脑”

在漫长的历史长河中，人类所运用的运算工具，经历了由简单到复杂、由低级向高级的发展变化。这一演变过程，反映了人类认识世界、改造世界的艰辛历程和科技发展的广阔前景。

　　

　　计算演化与时俱进

　　

　　在原始社会，人类进行计算的方法十分简单，只需把石块放进皮袋或把贝壳串成串，就可以“一一对应”计算出需要计数的物品。后来，人们又发明了在长绳上打结记事或计数。采用这样的“结绳计数”方法，比用石块、贝壳要轻便许多。与此同时，手指计数也是当时常用的方法。至今，有些地区的少数民族还用“手”表示“五”，用“人”表示“二十”。有人研究推测，“十进制”被广泛运用，应该与手指计数大有关联。

　　考古工作者考证出湖南省长沙楚墓出土的几十根长约12厘米的小竹棍，就是古人用来计算的算筹，这是我国所能见到的年代虽久远的实物：而楚人也是我国古代最早使用算筹进行计算的先民。经专家研究，算筹有两种排列方式：一种是纵式，1至5为并列竖排，6至9为横竖相交，一竖一横表示6，四竖一横表示9；另一种模式则是1至5并列横排，6至9竖横相交，与纵式恰好相反。进行计算时，算筹纵横交叉使用，以十进位，零为空位。《老子》一书中讲到：“善计者不用筹策”，表明那时算筹已经相当普遍了。自春秋战国以来，使用算筹进行计算一直沿用了近两千年。除竹制之外，还有木、铁、玉石、象牙制的算筹。把算筹装在袋子里或笔筒中随身携带，这就是古人说的“算袋”或“算子筒”。唐代曾经规定，文武官员都必须备有算袋，以提高决策的科学性。我国古代数学家刘徽，用算筹把圆周率计算到3.1410。而祖冲之则更为精确地计算到小数点后第七位。

　　算筹在计算时需要一定的场地，特别是多位数计算占地较大，而且运算过程转瞬即逝。为了克服算筹的弊端，到了宋元时期，人们根据算筹的计算原理，发明了算盘。1366年，陶宗义著《南村辍耕录》中，最初提到“算盘”一词，并说“拨之则动”。15世纪《鲁班木经》中，很为详细地记载了算盘的制作方法。算盘以圆珠代替“算筹”，并将其连成整体，简化了操作过程，运用时更加得心应手。到了元末明初以后，珠算则逐渐取代筹算，成为通用的计算工具。在算盘中，上面的子一个代表5，下面的子一个代表1，是从算筹延续下来。算筹运算的规则和口诀，算盘也都继续沿用。从某种意义上讲，算筹可以说是算盘的祖先。利用算盘不但可以做加减乘除四则运算，还可以乘方开方。即使是多元高次方程这样高深的数学难题，利用算盘同样可以解出来。

　　珠算是中国的一大发明，虽然历史古老，但现在仍然具有旺盛的生命力，不但在中国如此，就是号称“电脑王国”的美国和日本，也十分重视珠算的使用和普及。美国加州的大部分小学都开设珠算课；日本人则把珠算与读书、写字并列为国民应当具有的基本技能。现在，一种新型的电子算盘已经问世，它把算盘与电子计算器的长处集为一体，是一种中外结合的新型计算工具。

　　

　　齿轮计算风光显赫

　　

　　1520年，英国人甘特发明了计算尺，运用到一些特殊的运算中，既快速又省时。到了1642年，法国数学家巴斯嘉制造出世界上最早的手摇计算机。它用一个个齿轮表示数字，以齿轮间的咬合装置实现进位，低位齿轮转十圈，高位齿轮转一圈。经过逐步改进，它既能做加、减法，又能做乘、除法，运算操作也更加简捷、快速。1878年，瑞典发明家奥涅尔制造出一种利用齿数可变功能进行演算的手摇计算机。这种计算机的主要特点是，利用齿数可变的齿轮代替阶梯形轴。其中，字轮与基数齿轮之间没有中间齿轮，数字直接刻在可变齿轮上，并在外壳窗口中加以显示。

　　到了19世纪80年代，各种机械计算机陆续采用键盘置数的办法。这种计算机在进行除法运算时，要注意听信号铃声，当减去除数的次数过头时，就会响铃，提醒操作者将多减的次数补回来。1905年，一位名叫加门的德国人，在键盘置数的计算机中采用了“比例杠杆原理”，使计算机在操作时产生的噪声很小，做除法运算时也不用专心注意铃响，逐渐成为一种广为流传的机械计算机。1936年荷兰飞利浦公司制造出一种二进制手摇机械式计算机。由于结构简单，操作方便，在20世纪二三十年间一度成为非常重要的计算工具。

　　用手摇作为动力的机械计算机，应用范围十分广泛。它能够进行四则运算、平方数、立方数、开平方、开立方，还可以输入三角函数和对数。我国第一颗原子弹的研制，就曾使用这种计算机来进行数据计算。不过，手摇计算机也有不足，比如计算的数据中有括号就比较麻烦，需要正摇几圈，反摇几圈，重复多次；另外还要用纸笔记录，既费时又费力。20世纪70年代，使用晶体管和数码管的计算器出现以后，手摇计算机就退出了历史舞台。

　　

　　超级电脑前景广阔

　　

　　1946年初，美国宾夕法尼亚大学厄克特博士和物理学家毛希利博士研制成功世界上第一台电子计算机。这是一种根据一系列指令对数据进行处理的机器，俗称“电脑”。

　　电子计算机的种类繁多，但总体上都是处理信息数据的工具。随着科技的飞速进步，新一代计算机出现之后，在性能上总是要明显超过前一代。早期计算机的体积足有一间房屋大小，而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。小型的、为个人应用而设计的计算机被称为微型计算机，简称微机。我们日常使用“计算机”一词时，通常大都是指这种计算机。当然，在特别的科学计算或面向大型组织的事务处理中，依然有大量体积庞大的计算机在工作着。

　　我国国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机，其峰值运算速度为每秒4700万亿次。“天河一号”运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上；“天河一号”运算一天，相当于一台主流微机运算620年的总和。

　　超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。1994年，美国航空航天总署的戈达德太空飞行中心的科技人员，建造了世界上第一组个人台式电脑机群超级计算机。现如今，超级计算机已成为研究全球气候变化、高能粒子、天体变化、核反应等的关键工具。日本开发的“地球模拟器”超级计算机可提供全球性天气预报。在运行过程中，该计算机需要将地球表面分割为许多大约10平方千米的区域，这样就需要处理5000多万套大气及海流的变化数据。为了对这些数据进行及时处理以做出天气预报，以往需要数千台计算机处理器来进行共同运算，而该台超级计算机完全可以独自担当重任。

　　科学家通过超级计算机揭示了黑洞质量之谜。在大约1亿年的时间里，黑洞质量不断增长，将更多气体燃料吸引到自己身边，气体在向黑洞靠近时变得更热、更明亮。这样，融合后的星系核就成了一个类星体。按照超级计算机的模拟结果，大黑洞在经历称为“类星体”的成长阶段时，周围炽热的气体物质会爆发，产生一股强大的宇宙风，将绝大部分气体尘云从黑洞附近乃至整个星系里刮走，抛入深空。放完这个巨大的“宇宙焰火”之后，黑洞没有了“食物”，质量不再增长。

　　超级计算机对于一个国家的经济发展具有十分重要的意义。这是因为，越来越多的用户需要实施技术计算任务，用以挖掘采购和供应趋势的数据。超级计算机强大的运算能力使模拟更加准确，为降低成本、增加效率提供了依据。现在，运用超级计算机对产品设计进行模拟，也已经成为现代产品设计领域的标准工具。作为中国高技术研究发展计划(863计划)中重大项目的“天河一号”，设计始于2008年。它采用了“多阵列可配置协同并行体系结构”等多项关键创新技术，综合技术水平位居世界前列，具有高性能、高能效、高安全和易使用的特点。2010年年底，这台由103个机柜组成、占地面积近千平方米、总重量155吨的庞大计算机安装到了中国两个国家级超级计算中心之一的天津中心，开始向国内外用户提供超级计算服务。“天河一号”将在资源勘探、生物医药研究、航空航天装备研制、金融工程、新材料开发等方面得到广泛应用。

　　科学家预计，未来10年左右时间，世界上将研制出运算速度超过每秒百万万亿次(即10的18次方)的超级计算机。这一速度是目前世界上最快计算机的1000倍。

　　

　　责任编辑　庞云