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计算系统大学计算机翻转课堂——土木一班海峰战队计算机系统发展历程现代计算机系统简介新型概念的计算机系统PART01PART02PART03PastPresentFuture计算机系统发展历程PART01计算机系统发展历程图灵机——现代计算机的理论基础将控制处理的规则（程序）用0和1的表达，将待处理的数据及处理结果（输入与输出）也用0和1表达，处理方式即为对0和1的变换。可以运用穿孔纸带、机械或电子系统实现。图灵机模型：启示：由基本动作和基本动作的各种组合可以实现一个复杂系统的构成。计算机系统发展历程计算机系统发展历程冯•诺依曼机——现代计算机的先驱输入设备存储器输出设备控制器运算器逻辑运算与算术运算数据和指令的存储与读写将程序和指令输入计算机读取、分析并执行指令。依据编制好的程序，控制计算机各部件有序工作将计算机处理的结果显示或打印出来计算机系统发展历程基本思想：存储程序。以实现连续、自动的执行，加快数据处理的速度特点：强调整体性与协同性冯·诺依曼机的五大部件运算器与控制器通常集成为中央处理器CPU，是计算系统的核心现代计算机系统简介现代计算机系统简介PART02现代计算机系统简介•主机：CPU和存储器（核心）、各种电路板•外部设备：输入设备、输出设备、外部存储设备硬件软件数据多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。网络现代计算机的基本构成1234•数字数据：取值范围是离散的变量或者数值。例如符号、字母、文字。•模拟数据：指的是取值范围是连续的变量或者数值。例如声音、图像、视频。•系统软件：用于对计算机管理、控制、维护、编辑、制作、加工程序•应用软件：用于解决实际问题、进行业务工作、生活及娱乐CPU的构成CPU运算器算术逻辑运算部件数据寄存器控制器指令寄存器CPU如何执行指令抽象结构CPUCPU的生产①硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，(电子级硅EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。②硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆。切割出的晶圆经过抛光后③光刻胶(PhotoResist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。④光刻蚀：光刻胶层随后透过掩模被曝光在紫外线之下变得可溶，掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。⑤离子注入：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。⑥晶体管就绪：清除光刻胶。至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。⑦电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜沉淀到晶体管上。⑧抛光，晶圆测试，晶圆切片，丢弃瑕疵内核，留下单个内核，封装成型。CPU新型概念的计算机系统PART03新型概念的计算机系统DNA计算机导言——为什么需要设计新型计算机？通过增加晶体管密度和处理器的连接数目，可以很大提升计算机的计算速度，发展超级计算机。但从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，生产难度也大大提升。一旦芯片上线条的宽度达到纳米(10−9m)数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作。目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。超级计算机继续提速是很困难的，必须想别的出路。DNA计算机DNA计算机概念的提出20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等。而DNA片段的切割、删除、易位和增添也让人们联想起基本的逻辑运算。由此，科学家们激发了研制生物元件的灵感。计算原理的变革传统计算机•物理性质的符号变换生物计算机•化学性质的符号变换DNA计算机0和1的复杂组合4种碱基的排列顺序基本门电路:与、或、非生物逻辑门用0和1表示程序对数据进行变换用特异性酶控制DNA序列的变换信息的存储与表示基本逻辑运算的形式运行机制传统计算机DNA计算机计算原理的变化DNA计算机的工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，将发生过程进行分子编码，把二进制数翻译成遗传密码的片段，每一个片段就是双螺旋的一个链，然后对问题以新的DNA编码形式加以解答。DNA计算机的工作原理“Hamiltonpath问题”的解决DNA计算机的实际案例——DNA计算机的开山之作问题重述：有n个城市，一个推销员要从其中某一个城市出发，唯一走遍所有城市(每两个城市之间都有直接连接的道路)，到达指定的终点，求最短的路线。随着城市数目的增加，问题会变的越来越困难。随着难度的增加，要搜索到正确的路径就需要更加强大的计算能力，最终会复杂到需要运用目前最先进的超级计算机。当城市数目达到上百个时，即使最快的超级计算机也“望洋兴叹”，计算量可想而知。但是，利用DNA计算，问题迎刃而解。DNA计算机的实际案例在当时，用传统计算机解决这个问题需要两年的时间，而DNA计算机加上信息筛选的过程只用了7天时间。实际上，当时试管中的DNA计算机在几秒钟已经存在了正确答案，科学家们花了七天时间将答案提取出来。当然，如今的计算机想得到结果也只需要几秒，但距离那个时代，已经过去了将近20年。1994年11月，美国计算机科学家L.阿德勒曼（LeonardM.Adleman）根据DNA分子信息表达的启发，他巧妙地利用相同的DNA单链代表相同的一条道路；用相同的一段粘性末端来表示同一个城市节点；以的、粘性末端的特异性相连表示道路与道路之间的连接。当表示各条道路的DNA单链均足够多时，就可以随机组合出所有的路线方案。当时的实验步骤：Adleman博士利用DNA计算实现了7节点的Hamiltonpath问题。具体的实验分为5个步骤：1、产生经历有向图节点的随机路径。也就是图中存在的所有路径。2、筛选并保留从起点到终点的所有路径，运用PCR技术使序列成倍增加。3、筛选并保留正好经过7个节点的路径，运用凝胶电泳技术将DNA链进行分离。4、筛选并保留至少一次经过所有节点的那些路径，通过亲和层析来实现。5、检测是否存在包含Hamiltonpath问题的DNA分子。如存在，运用PCR技术进行扩增，然后测定被扩增的DNA分子序列。DNA计算机的优点(1)信息密集度高，存储容量大。可同时容纳1万亿个此类计算机于一支试管中。1立方米的DNA溶液，可以存贮1万亿亿的二进制数据。1cm2空间的DNA可储存的资料量超过1兆片CD的容量。(2)运行速度快。其运算速度可以达到每秒10亿次，十几个小时的DNA计算，相当于所有电脑问世以来的总运算量。(3)可靠性高。由生物分子构成的分子集成电路(生物芯片)也同一般的生物体一样，具有“自我修复”的机能，也就是说，即便这种芯片出了点故障也无关大局，它能够慢慢地自动恢复过来，达到“自我修复”。所以，这种生物计算机的可靠性非常高，经久耐用，具有“半永久性”。这对于目前的电子计算机来说，简直是一件不可思议的事情。DNA计算机的优点(4)耗能低。DNA计算机的能耗非常低，仅相当于普通电脑的10亿分之一。如果放置在活体细胞内，能耗还会更低。这是因为生物芯片内流动电子间碰撞的可能极小，几乎不存在电阻，所以生物计算机的能耗极小，几乎不发热。(5)并行性。普通电脑采用的都是以顺序执行指令的方式运算。由于一个生物酶可同时催化多个DNA分子的反应，数以亿计的DNA计算机可以同时从不同角度处理一个问题，工作一次可以进行10亿次运算，即并行的方式工作，大大提高了效率。DNA计算机的不足信息的输入和输出较为困难一种生物计算机24小时就完成了人类迄今全部的计算量，但从中提取一个信息却花费了1周。这也是目前生物计算机没有普及的最主要原因。•严格来说，基本无法根据人们设想的序列输入信息，只能以特定的、现有的DNA序列代表特定的信息，并用PCR技术进行扩增。•最终得到的结果也需要进行多步骤的反复筛选并提取，才能完成信息的输出。突破与前景DNA计算机的发展·生物计算机具有生物活性，理论上能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。这样，生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。它将成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。·2011年，科学家利用细菌和DNA分子成功建造数字设备的基本结构，及生物逻辑门，也就是与门，非门，或门，标志着人类已离制造生物计算机更近一步!在“硬件方面”(或者应当说“湿件”)，生物技术的改进正在以类似于半导体行业的进步速度发展。这么多年来，计算机一直没有跳出二进制逻辑和冯·诺依曼模型的圈子，从这个层面讲，70年来计算机的发展都只是体积和运算速度的量变。这是受基础学科的发展程度局限的结果。生物计算机，在生物工程取得重大进展时便呼之欲出了。作为IT人，抛弃二进制逻辑和冯·诺依曼模型是非常困难的。但从机械到电子，从焊接电路到集成电路，从真空管到晶体管，从大家伙到智能手机。。。计算机的发展表明人类可以创造一个个的不可能。要让生物计算机走入千家万户，必须要有敢于舍弃旧认知，勇于开拓的精神。我们相信，在科研工作者们的不懈努力下，随着新型计算机技术的成熟，更多让人惊喜的成果在等着我们！新型概念的计算机系统结语Thanks！参考文献：《基于DNA分子的逻辑门与计算机》——俞洋，宋世平，樊春海