Question

计算机的本质是什么?

Answer 1

计算机是人的一种工具，最初和算盘类似，都是便于计算。人类社会在发展过程中，特别是近几千年，不断的高度集中化和复杂化，产生的信息量也指数级增长，对计算工具的要求同样水涨船高，进而使简单的算盘演变成现代计算机。

现代计算机有三大功能，分别是数值计算、逻辑运算和存储记忆功能。从最简单的算盘出发，这种计算机的本质是什么呢？人为的通过信息输入实现信息的处理和输出，讲人话就是需要我们人为的输入信息，以珠算口诀作为规则，实现要求的计算，最后得到我们看到的珠算结果，也就是说，计算机需要有能量才能工作，需要信息的控制才能工作。类似算盘，现代计算机同样是这样的情况，只是我们可以设定相关的程序，让电脑自己计算。

本文主要讲述两个知识点，以方便大家认识计算机，分别是计算机的发展历程和计算思维体系，以便更好理解现代计算机衍生出来的一系列事物。

知识点一：计算机的发展历程

图1 计算机发展历程
现代计算机的发展距今不到100年，其速度之快超乎想象，而且计算机的发展逐渐甚至彻底改变人们的生活，使得人与人，人与物之间的关系变的奇特，加快了人类对自然世界的改造和人类社会规律的认识。计算机才发展到第四代，从1946年电子管计算机的发展，系统从庞大的外设到如今掌上电脑大小，已经有质的提升。

1936年，图灵提出的图灵机理论奠定了计算机的基础，所谓的图灵机，是一种数学模型，它告诉人们，如何利用信息控制机械，实现计算。也就是说，计算的本质是一种机械运动，但它需要信息（指令）控制。这种本质直到今天都没有改变，至于计算是如何通过机械运动实现的，这就涉及到香农的一项发明—开关电路。今天所有的集成电路里面其实都是各种各样的开关电路，神奇的开关电路，形成了0和1两种状态，通过这两种状态有序的排列组成了今天的计算机底层运算逻辑。

图2 神奇的开关电路
计算机的发展从能量角度来看，是不断提高能量利用率的过程，从体积来看是不断将系统微型化，系统化的过程。基础设施的发展，比如电子管，晶体管，集成电路，大规模集成电路的发展使得计算机飞速发展，而摩尔定律的提出（集成电路的性能每两年就会翻一番），将整个产业界推向了现代计算机的高潮。

随着大数据，人工智能的发展，计算机逐步在转向人工智能计算机的发展，虽然现在只是研制和理论突破方向，相信随着技术的发展，这将是一件非常诱人的工具，能极大的改变人类社会，丰富我们已有的精神世界。人类发展的历程就是从宏观和微观两个极端方向去突破限制，以达到我们人类社会认识的边界，那么科学家和工程师们是怎么做到这一点的呢？简单地讲就是用信息置换能量。

根据计算机发展历程，总结为以下四点：

计算机本身是计算工具；
基础设备的发展促进系统的发展；
设备的微型化，集成化是系统成熟的标志；
技术和理论的突破是新生代产品诞生的前提条件。

知识点二：计算思维体系

考虑下面日常生活中的事例：当你女儿早晨去学校时，她把当天需要的东西放进背包，这就是预置和缓存；当你儿子弄丢他的手套时，你建议他沿走过的路寻找，这就是回推；在什么时候停止租用滑雪板而为自己买一付呢？这就是在线算法；在超市付账时，你应当去排哪个队呢？这就是多服务器系统的性能模型；为什么停电时你的电话仍然可用？这就是失败的无关性和设计的冗余性；完全自动的大众图灵测试如何区分计算机和人类，即CAPTCHA程序是怎样鉴别人类的？这就是充分利用求解人工智能难题之艰难来挫败计算代理程序。

---来自百度百科

结合日常生活，将计算思维的方式和方法运用起来，一方面可以指导和理解社会化问题，另外一方面可以加强我们对计算思维的理解。计算思维的方法新起，从宏观角度看是随着计算机科学的发展，展示出来的解决问题的一种方式，图3中可以看出计算机形成和计算思维的关系，将社会和自然的计算表达和推理抽象出来，用社会和自然所接受的形式体现计算及结果。

图3 计算机形成和计算思维转换
计算思维是数理思维发展到一定程度的高级形态，是把一个看起来困难的问题通过问题的分析分解、联想等方法，分解成一个个简单、具体的问题。它对人思维能力的要求相比数理思维要更高。将计算思维分开，可以将其描述成一种解决问题的方式，从分析问题，规律、模式识别，将问题抽象化和算法开发和执行等几个步骤。

图4 计算思维的过程
举个例子：

假设在现在你需要为4人家庭做一餐晚饭,要求有汤有素菜有荤菜，你应该怎么做？

这个日常的生活问题可以运用“计算思维”去理解或解决：

1、分析问题——分析确定要做什么菜，要有肉、素、汤，列举要做什么菜，比如做炖鸡汤，西红柿炒鸡蛋、爆炒羊肉、白灼菜心等几个菜，这些菜需要购买什么食材；

2、规律、模式识别——明确几道菜的做法和规律，羊肉要爆炒，出锅很快，白灼菜心也是快手菜，炖鸡汤需要时间，小火慢炖，西红柿炒鸡蛋需要事先打好鸡蛋，时间适中，他们大多数都需要油、盐、葱等佐料。

3、将问题抽象化——为了避免菜凉，几道菜都要差不多时间出锅，所以需要将菜品制作按时间排序，抽象为排序问题。

4、算法开发和执行——最后列明制作菜品的一些细节，化为清晰明确的流程并执行，切鸡肉、姜——炖鸡汤——切蒜、葱、羊肉腌制——打鸡蛋、切西红柿、洗菜心等等。

就这样，准备家庭晚餐的日常问题，就应用计算思维解决了。

（以上案例来自文章《人人都应具备的“计算思维”——21世纪核心技能之一》）

计算思维不是一门学科，而是一种解决问题的方法，这种思维是将问题分解，并且利用所掌握的计算知识找出解决问题的办法。无论你是学校的学生还是资深的职业人士，无论你进行科学探索，还是从事文学艺术创作，计算思维都能助你一臂之力。计算机科学是计算的学问，它研究什么是可计算的，怎样去计算。