第 1 章資訊新未來

1. 第1章資訊新未來

2. 前言 • 自 20 世紀中期以來, 電腦迅速的融入人類生活, 數十年來資訊科學的發展早已超出原先計算器的範疇, 成為一種新的資訊製造器、儲存器、傳播器, 而且搭載的資訊範圍包含人類所有知識領域, 從科技、藝術、人文、教育...等, 各領域都開始使用電腦為工具。因此, 身為 21 世紀的現代人, 我們有必要對於電腦的定義、發展的歷史, 以及未來的趨勢有所認識與了解。

3. 本堂課重點 • 1-1 電腦是什麼 • 1-2 電腦的演進 • 1-3 電腦的種類 • 1-4 機器人的發展 = 夢想成真

4. 1-1 電腦是什麼 • 一直以來, 人類不斷的發明可以幫助人們處理資料的工具, 從算盤、計算尺、到機械式的加法器等等。發明這些工具的目的, 無非是希望能藉以提升資料處理的速度及準確度。但在二十世紀前, 這些計算器都還停留在機械式的範疇, 且在計算及處理資料的能力上未能有大幅度的提升。直到使用電子科技的電腦誕生, 人類才跨出革命性的一步, 並開啟了資訊時代。

5. 電腦是什麼

6. 電腦是什麼 • 1-1-1 電腦的定義與硬體的 5 大單元架構 • 馮鈕曼架構 (Von Neumann Architecture) • 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 電腦的儲存單位與時間單位

7. 1-1-1 電腦的定義 與硬體的 5 大單元架構 • 電腦是一種可以接受資料、命令, 並加以分析、過濾以迅速處理資料, 然後輸出對應結果的電子化設備。 • 一部電腦包含硬體 (Hardware)及軟體 (Software)兩大部分, 兩者互相搭配, 才能有效運作, 完成我們要求的工作。其中所謂硬體, 是指組成電腦的各項機械、電子設備；而軟體則是用以控制電腦動作的指令、程式。

8. 電腦的定義與硬體的 5 大單元架構 • 電腦硬體的架構主要是由輸入、記憶、控制、算術與邏輯、輸出等 5 大單元所組成：

9. 電腦的定義與硬體的 5 大單元架構 • 輸入單元 (Input Unit )：輸入單元是將資料輸入電腦的管道。當我們輸入資料時, 輸入單元會將這些資料先轉換成電子訊號, 然後才傳送至電腦內部處理。鍵盤、滑鼠、讀卡機、光筆、條碼閱讀機、掃瞄器、數位相機...等均屬輸入單元的設備。 • 記憶單元 (Memory Unit )：記憶單元是電腦存放程式與資料的地方。它包含主記憶體及輔助記憶體兩種, 主記憶體用來儲存處理中的程式和資料,輔助記憶體則是用來儲存暫時不用的程式和資料。硬碟機、軟碟機、光碟機...等是目前在個人電腦上使用相當普遍的輔助記憶體。

10. 電腦的定義與硬體的 5 大單元架構 • 控制單元 (CU, Cont rol Unit )：控制單元負責控制、協調電腦各單元間的相互運作。電腦的所有作業程序、與其他單元間互動的協調工作、資料的傳遞等, 皆需透過此單元來控制監督。 • 算術與邏輯單元 (ALU, Ar i thmet i c/Logic Uni t )：此單元是電腦執行算術運算、邏輯判斷的單元, 可說是電腦的核心。當資料由輸入單元送至記憶單元後, 電腦透過程式的控制將資料讀入此單元進行運算, 最後才將運算的結果送回記憶單元。

11. 電腦的定義與硬體的 5 大單元架構 • 輸出單元(Output Uni t)：輸出單元是電腦輸出資料的管道。資料經過算術運算後, 藉由輸出單元將運算的結果顯示或列印出來。螢幕、印表機、喇叭、繪圖機...等均屬於輸出單元的設備。

12. 馮鈕曼架構(Von Neumann Architecture) • 前述電腦硬體的五大單元架構, 就是馮鈕曼架構(Von Neumann Architecture), 依此架構設計的電腦, 則稱為儲存程式型電腦(Stored-Program Computer)。

13. 馮鈕曼架構(Von Neumann Architecture) • 最早的計算機是為特定用途所製造 (例如 1-2-2 節介紹的 ENIAC 其目的是為了計算砲彈的彈道), 直接透過電路設計程式, 如果想改變其 "程式", 則必須更改線路, 甚至重新設計機器。而馮鈕曼架構, 則是將 "程式指令" 由 "電路開關" 變為 "資料" 儲存在記憶體中, 算術與邏輯單元再由記憶體讀取指令執行。這樣的架構, 讓計算機不再只能為特定目的設計、製造, 而能有更廣泛的用途！

14. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 5 大單元各司其職, 分工合作, 以實現人們所要求的任務, 以下是 5 大單元的運作示意圖：

15. 電腦硬體 5 大單元的運作方式

16. 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 這 5 大單元清楚地劃分出每種配備的工作內容, 以及彼此的協調關係, 所以電腦就能正常運作了。

17. 電腦的儲存單位與時間單位 • 由於電腦處理資料的速度非常快, 若使用日常生活中常用的小時、分, 甚至秒來描述其處理時間, 都很不方便, 因此通常使用更小的單位。以下為電腦領域中, 較常用的時間單位： • 毫秒 (Millisecond, ms)： 千分之一秒, 1 ms = 10-3 s。 • 微秒 (Microsecond, μs)：百萬分之一秒, 1μs = 10-6 s。 • 奈秒 (Nanosecond, ns)：十億分之一秒, 1 ns = 10-9 s。

18. 電腦的儲存單位與時間單位 • 電腦儲存資料的 『最小』 單位為位元 (bit), 每一個位元可以表示一個 0 或 1, 而 8 個位元則稱為 1 個位元組 (Byte)。 • 電腦的儲存設備基本上都以位元組作為資料存取的基本單位, 一般常見的單位與換算方式如下： • 1 Kilo Bytes (KB) = 210 Bytes = 1024 Bytes • 1 Mega Bytes (MB) = 220 Bytes = 1024 KB • 1 Giga Bytes (GB) = 230 Bytes = 1024 MB • 1 Tera Bytes (TB) = 240 Bytes = 1024 GB

19. 電腦的儲存單位與時間單位 • Kilo、Mega...等都是公制單位的前置字, 其實依照公制的規定, 每個單位間的換算應該使用 103, 而不是 210, 所以理論上 1 MB 應該等於 1000 KB, 其他單位也一樣應使用 1000 而非 1024 做為換算的數字。 • 為了解決可能發生混淆的問題, 國際電工委員會 (IEC, International ElectrotechnicalCommission) 曾經提出一套新的前置字, 建議使用 KiB、MiB、GiB、TiB 做為以 1024換算的單位, 讓 KB、MB、GB、TB 的換算數字回歸原本公制單位規定的 1000。

20. 電腦的儲存單位與時間單位 • 不過 IEC 提出的前置字尚未廣被接受, 目前大眾仍然習慣使用 1024 做為 KB、MB、GB、TB 的換算數字。所以本書隨後內容除非特別說明, 否則也會以 1024 為換算數字。

21. 1-2 電腦的演進 • 從第一台電腦問世至今, 不過是短短 60 幾年的時間, 但其對人類的影響,卻足以媲美前兩次的工業革命。在本節中, 我們要看看近半世紀以來電腦的發展：

22. 電腦的演進

23. 電腦的演進 • 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 1-2-2 真空管電腦 － 第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 1-2-3 電晶體電腦 － 第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 1-2-4 積體電路電腦 － 第 3 代電腦 (1964 ~ 1970) • 1-2-5 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 1-2-6 未來趨勢 － 第 5 代人工智慧電腦

24. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 十九世紀的英國數學家 Charles Babbage 獲得了英國政府的資助, 開始研發差分機 (Difference Engine), 這是一部使用蒸氣為動力的機械式計算器。而後他更擴展了原先想法, 認為理想的計算機應該具有程式化的功能, 也就是可以依照指令改變執行程序, 因此轉而研發分析機 (Analytical Engine)。

25. 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)

26. 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 可惜因為當時的技術跟不上 Babbage 的設計, 所以差分機與分析機最後皆無法製造成功。不過因為 Babbage 劃時代的想法與設計, 已具備現代電腦運作的概念, 所以一般都公認 Babbage 為電腦之父。 • Babbage 設計分析機時, 當時的數學才女 Ada Lovelace 非常欣賞分析機的想法, 所以也一起參與研究。Ada 為分析機寫了一份如何計算白努利數(Bernoulli Numbers) 的規劃 (演算法), 並且設計了一個流程圖, 因此後世稱 Ada為歷史上第一位程式設計師。如果想要多瞭解 Ada 的成就, 可以參考 15-3 頁。

27. 1-2-2 真空管電腦 － 第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 1946 年, 人類第一部電腦問世, 稱為 ENIAC (ElectronicNumer ical Integr a tor AndComputer)。是由美國賓州大學的 John W. Mauchly 與 J.Presper Eckert 以 『真空管』(Vacuum Tube) 為主要元件製造而成, 其目的是為了用來計算砲彈的彈道。這部電腦使用了約 18,000 個真空管, 15,000個繼電器 (Relay), 長 15 公尺,寬 9 公尺, 重 30 噸, 一秒鐘內大約能作 5000 次加法運算。

28. 真空管電腦 － 第 1 代電腦 (1946 ~ 1953)

29. 真空管電腦 － 第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 真空管的壽命短、不易散熱、易故障、又佔空間, 不過 ENIAC 的發明不僅為日後的電腦發展奠下基礎, 也宣告了 『資訊化』 時代的來臨。 • ENIAC 出現後, 1951 年第一部商用電腦 UNIVACI 誕生了, 這部電腦為美國人口普查局處理人口統計的資料, 前後共運轉了 12 年。而 ENIAC 則運轉了約十年, 於 1955 年 10 月 2 日退休。

30. 1-2-3 電晶體電腦 － 第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 1947 年, 貝爾實驗室的三位科學家 John Bardeen 、Walter Brattain 及William Shockley 發明了電晶體 (Transistor)。由於電晶體與真空管比起來, 耗電少、體積小、穩定度又高, 因此逐漸被大量應用在電子學的領域, 且不久後便取代了真空管的地位。

31. 電晶體電腦 － 第 2 代電腦(1954 ~ 1963)

32. 電晶體電腦 － 第 2 代電腦(1954 ~ 1963) • 1954 年, 貝爾實驗室使用電晶體製造了世界上第一部電晶體電腦, 讓電腦的發展又往前進了一步。此電腦中有 800 個電晶體, 體積及重量都較真空管電腦小, 而加法運算的速度則可達到 10-6 秒。

33. 1-2-4 積體電路電腦 － 第 3 代電腦 (1964 ~ 1970) • 1964 年IBM 公司向全世界宣布, 使用積體電路 (IC, Integrated Circuit) 研製成功的 IBM 360 系列電腦正式推出, 是第三代電腦的開始。一片積體電路可以取代數個電晶體的功用, 因此第三代電腦的體積變小了許多, 重量也輕了許多, 運算速度則較電晶體電腦快了數百倍, 可達到 10-8 秒, 然而價格卻更為便宜, 電腦不斷朝更快、更小、價 格更低發展。

34. 1-2-5 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 由於積體電路技術不斷的改良, 延伸出高密度 IC, 稱為『超大型積體電路(VLSI, Very Large Scale Integrated Circuit)』。超大型積體電路能容納比積體電路更多的元件, 每平方公分可容納數千至數萬個電子元件。 • 1971 年美國英特爾(Intel) 公司成功的將電腦中負責處理運算及控制部分的電子元件, 設計到一片 VLSI 晶片上, 發展出 『微處理器 (Microprocessor)』,而第 4 代電腦便是使用微處理器做為電腦的中央處理單元 (CPU)。

35. 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 在這之前, 電腦只有大型電腦、迷你電腦等種類 (關於電腦的種類請參考1-3 節), 不論體積或售價, 都不是一般人所能負擔。不過微處理器使電腦的體積大幅縮小, 因而促成個人電腦 (PC, Personal Computer) 的推出, 每個人都能擁有電腦的時代於是來臨。

36. 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 最早被用來當成個人電腦 CPU 的微處理器是英特爾公司於 1974 推出的8080, 此後個人電腦的發展更加迅速。1981 年 IBM公司推出的 IBM PC 使用 Intel 8088 微處理器, 1983 年則開始加入 Intel 8086 微處理器, 1984 年以後使用 Intel 80286 、80386 、80486 的個人電腦陸續推出, 直到今日採用 Pentium 、Celeron 、Athlon 、Opteron... 等各種不同微處理器 的個人電腦。

37. 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 因為英特爾早期推出的個人電腦微處理器都是以 "86" 做為結尾, 這一系列的微處理器皆具備類似的架構而且向下相容 (新的可以相容舊的, 例如 80486可以執行原本使用於 80386 的指令), 所以被稱為 x86 架構。x86 是目前個人電腦中最廣為使用的架構, 其他廠商製造的個人電腦微處理器也大多會相容於x86 架構。

38. 1-2-6 未來趨勢 － 第 5 代人工智慧電腦 • 這幾年, 電腦不斷的朝體積小、儲存容量大、速度快、準確性高、功能強大、價格便宜等方向發展。但電腦仍有其功能上的限制：人類無法解決的問題, 電腦也無法解決, 問題必須被量化、有正確的資料輸入、給予正確的解題方法 (程式、指令), 才能產生正確的輸出結果。也就是說, 電腦沒有人類的 『智慧』, 無法自行思考、累積知識、創造知識。

39. 未來趨勢 － 第 5 代人工智慧電腦 • 因此, 電腦在擁有高速運算的效能後, 未來的發展便朝向所謂具有 『人工智慧 (AI, Artificial Intelligence) 』的第 5 代電腦：使用極大型積體電路、人工智慧、平行處理等技術, 能了解人類的口語, 具有推理、累積知識能力的電腦。 • 第 5 代電腦與前四代的發展不同, 其追求的已不是物理性的體積縮小, 或性能上的速度加快, 而是根本能力上的改變, 因此所需突破的技術層面更高。目前能做到的只是讓電腦更方便使用、更人性化, 離真正的目標還有一段距離。

40. 人工智慧 • 人工智慧的概念最早由 Alan Turing 提出, 並於 1956 年達特茅斯 (Dartmouth) 研討會中經多位學者討論後定名, 其主要的目的在於 『讓電腦能夠像人類一樣思考、推理及行動』。目前人工智慧發展最大的問題在於：人類如何思考, 若我們無法先了解人類的思考方式, 又如何讓電腦思考？

41. 人工智慧 • 雖然人工智慧仍在研究發展的階段, 但已有部分研究的成果被廣泛的使用, 例如：專家系統 (Expert System)、遊戲理論 (Game Theory) 等。其中最著名的例子便是 IBM 製造的電腦 － 深藍 (Deep Blue), 於 1997 年 5 月打敗世界棋王。 • 除此之外, 人工智慧應用的領域還包括有類神經網路 (Neural Network)、機器學習(Machine Learning)、模糊邏輯 (Fuzzy Logic)、影像辨識 (Pattern Recognition)、自然語言瞭解 (Natural Language Understanding)...等等。

42. 1-3 電腦的種類 • 電腦依其功能、速度、價格、體積等因素, 大致上可區分為微電腦、工作站電腦、迷你電腦、大型電腦、超級電腦等。 • 1-3-1 微電腦 • 1-3-2 工作站電腦 • 1-3-3 迷你電腦 • 1-3-4 大型電腦 • 1-3-5 超級電腦 • 1-3-6 筆記型電腦、平板電腦、PDA

43. 1-3-1 微電腦 • 微電腦 (Microcomputer) 即大家所熟知的 『個人電腦』 (PC, Personal Computer) , 以體積小、價格低、容易使用為其特色, 廣受家庭、學校、及公司行號所喜愛。

44. 1-3-2 工作站電腦 • 工作站電腦 (Workstation) 外表看似個人電腦, 但功能與價錢超出個人電腦許多, 它的內部構造和設計重點與個人電腦也不盡相同。各家廠牌的工作站皆有其特色, 有的著重繪圖功能, 有的則著重大量資料的處理能力。通常提供工程單位與科技研究單位使用。

45. 工作站電腦

46. 1-3-3 迷你電腦 • 迷你電腦 (MiniComputer) 通常使用在企業或學術機構, 因為比較便宜,而且較易維護, 所以常成為大型電腦 (參閱下一節) 的替代品。

47. 迷你電腦

48. 1-3-4 大型電腦 • 大型電腦 (Mainframe) 的外觀像冰箱一樣巨大, 價格也高, 通常只有大型企業或組織才負擔得起這些費用。大型電腦內部通常有數十顆到數百顆 CPU同時運作, 可快速處理大量的資料, 如銀行的金融處理、航空公司的定位系統等。

49. 大型電腦

50. 大型電腦 • 大型電腦因其商務需求, 重視整體運算的效能, 並強調穩定、安全。雖然大型電腦的市場有日漸萎縮的趨勢, 但無論其他架構如何先進, 費用如何低廉,對於商務取向的客戶而言, 仍有其無法取代的優勢 — RAS, 亦即穩定性(Reliability)、可靠性(Availability) 及可服務性(Serviceability)。