第 1 章 資訊新未來.

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1 第 1 章 資訊新未來

2 學習目標 看完本章, 您應該學會以下主題： 電腦的定義 電腦硬體的五大單元架構, 以及其運作原理 電腦的演進歷史與未來發展的趨勢
電腦有哪些種類

3 前言 自 20 世紀中期以來, 電腦迅速地融入人類生活, 數十年來資訊科學的發展早已超出原先的計算器範疇, 而成為一種新的資訊製造器、儲存器、傳播器, 其所涵蓋的資訊範圍, 也已包含了所有的知識領域。 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、發展歷史, 以及未來趨勢有所認識與了解。

4 1-1 電腦是什麼 一直以來, 人類不斷地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 1-1 電腦是什麼

6 1-1 電腦是什麼 電腦的英文名稱為 Computer, 所以正式的中文名稱應為計算機或電子計算機, 不過目前一般皆通稱為電腦, 所以本書也將使用電腦為其名稱。

7 1-1-1電腦的定義與硬體 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 1-1-1電腦的定義與硬體 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 1-1-1 電腦的定義與硬體 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。

10 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 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。

11 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 控制單元 (CU, Control 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。

12 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 算術與邏輯單元 (ALU, Arithmetic/Logic Unit)：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。 控制單元和算術與邏輯單元也可以合稱為中央處理單元 (CPU, Central Processing Unit), 詳細說明請參考第 2 章。

13 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 輸出單元(Output Unit)：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。 本書第 2 ~ 4 章會詳細介紹這 5 大單元, 至於軟體種類的說明, 則請參考本書 7-1 節。

14 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture)
前述電腦硬體的五大單元架構, 就是馮紐曼架構 (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)。

15 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture)

16 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture)
最早的計算機是為特定用途所製造 (例如 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。 而馮紐曼架構, 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！

17 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture)
首部採用馮紐曼架構的電腦為 1949 年完成的 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), 而馮紐曼於 1945 年為開發 EDVAC 所寫的文獻 "First Draft of a Report on the EDVAC" 中, 即敘述了馮紐曼架構的基本概念。

18 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：

19 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式

20 1-1-2 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。

21 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。

22 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：

23 電腦的儲存單位與時間單位 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 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。

24 電腦的儲存單位與時間單位 為了解決可能發生混淆的問題, 國際電工委員會 (IEC, International Electrotechnical Commission)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。 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。

25 隨堂練習 1. 請計算 1 TB 等於多少 GB？多少 MB？多少 KB？多少 Bytes？
2. 請列出自己一天中使用電腦的時間有多少？ 用途為何？並想像如果沒有電腦的話, 自己 應如何完成原本利用電腦處理的事情。

26 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：

27 1-2 電腦的演進

28 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)
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)。

29 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)
1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)

30 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)
1-2-1 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。

31 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)
1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) 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 13-3 頁。

32 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 (Electronic Numer icalIntegrator And Computer)。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

33 1-2-2 真空管電腦 － 第 1 代電腦 (1946 ~ 1953)

34 1-2-2 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。

35 1-2-2 真空管電腦 － 第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) 台灣第一台電腦, 是交通大學於民國 50 年引進 IBM 650 (1954年推出, 屬於真空管電腦)。

36 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。

37 1-2-3 電晶體電腦 － 第 2 代電腦 (1954 ~ 1963)

38 1-2-3 電晶體電腦 － 第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) 電晶體的發明開啟了半導體科學的突破與發展, John Bardeen、Walter Brattain與 William Shockley 三人也因此獲得了1956 年的諾貝爾物理獎。而 John Bardeen 在 1972 年更因為超導理論獲得第二次諾貝爾物理獎, 成為目前唯一獲得兩次諾貝爾物理獎的科學家。

39 1-2-3 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。

40 1-2-4 積體電路電腦 － 第 3 代電腦 (1964 ~ 1970) 1964 年 IBM 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。

41 1-2-4 積體電路電腦 － 第 3 代電腦 (1964 ~ 1970)

42 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)。

43 1-2-5 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) 目前設計微處理器的廠商, 也不僅止於英特爾公司, 還有 AMD、IBM、威盛 (VIA)...等。 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。

44 1-2-5 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、Core i7、Athlon、Phenom...等各種不同微處理器的個人電腦。

45 1-2-5 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在)

46 1-2-5 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 可以執行原本使用於 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相容於 x86 架構。

47 1-2-5 微處理器電腦 － 第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) 目前市面上的 Core i7、Phenom 等 x86 架構的微處理器, 都兼具 32、64 位元的功能, 此類由x86 擴充而來的 64 位元架構稱為 x86-64, 但也有人直接稱之為 x64 。

48 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。

49 1-2-6 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, 能了解人類口語, 具有推理、累積知識能力的電腦。 第 5 代電腦與前四代發展不同, 其追求的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。

50 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？

51 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。

52 人工智慧 除此之外, 人工智慧應用的領域還包括類神經網路 (Neural Network)、機器學習(Machine Learning)、模糊邏輯 (Fuzzy Logic)、圖形辨識 (Pattern Recognition)、自然語言瞭解 (Natural Language Understanding)...等等。

53 隨堂練習 1.請使用網路尋找蘋果電腦的歷史, 並且討論為什麼蘋果電腦沒有成為個人電腦的主流架構。
2.請查詢目前人工智慧所能達到的能力, 並討論人與機器的戰爭是否有可能發生。 3.請查詢微軟崛起與發展的歷史, 並討論微軟成功的原因。

54 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。

55 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。

56 1-3-1 微電腦

57 1-3-1 微電腦 隨著科技的進步, 個人電腦的體積也越來越小, 除了一般大家熟悉的桌上型電腦, 還發展出了可攜帶式的筆記型電腦 (Notebook) 與平板電腦 (Tablet PC)。這些可攜式電腦也是採用個人電腦的架構, 但是體積縮小很多。

58 All-in-One PC 將螢幕與主機相結合的個人電腦, 稱為 All-in-One PC。相較於一般螢幕與主機分離的個人電腦, All-in-One PC 具有精簡、節省空間、方便安裝與移動等特性, 電腦後面也不再有一大堆線材纏繞。此外, All-in-One PC 在系統介面的設計上, 也相當著重於方便、易用, 因此頗受非玩家型使用者的青睞。

59 All-in-One PC

60 筆記型電腦 以往一般人對於電腦的印象都是擺在桌上又大又重的機器, 但是筆記型電腦的誕生則打破了這個觀念。筆記型電腦的體積與重量比起一般電腦可說是又小又輕, 讓人可以帶著走, 並且放在膝上使用。

61 筆記型電腦

62 筆記型電腦 筆記型電腦的發展逐漸成熟, 不論價格與性能都已經不輸給一般個人電腦, 因此放棄個人電腦轉而購買筆記型電腦的人越來越多。筆記型電腦再也不是高階商務人士專用的電腦, 已經成為一般人購買電腦的選擇之一。

63 輕省型筆記型電腦 (Netbook) 筆記型電腦的體積與重量仍然不是很方便隨身攜帶, 而 PDA (Personal Digital Assistant, 個人數位助理, 詳見 1-17 頁) 在功能與效能上有所侷限, 為企圖彌補這中間的缺口, 2007 年 10 月, 華碩公司推出了強調易學、易用、易攜帶的可攜式電腦 －Eee PC 。 包括宏碁在內等各大資訊廠商也紛紛推出類似產品, 儼然為電腦產業開展出一個新的產品分類, 人們稱這一類的產品為輕省型筆記型電腦 (或稱小筆電)。

64 輕省型筆記型電腦 (Netbook)

65 輕省型筆記型電腦 (Netbook) 輕省型筆記型電腦的硬體規格及執行效能不及一般筆記型電腦, 實際上無法完全取代一般筆記型電腦的所有工作, 但是其目標是更輕、更薄、更便宜, 讓使用者方便隨身攜帶。可以在任何地方處理電子文件、連線網路, 正好彌補了一般筆記型電腦與 PDA 的中間缺口。 因為輕省型筆記型電腦通常被當成方便攜帶的上網工具, 所以也稱為 Netbook。

66 平板電腦 平板電腦一樣具備了方便攜帶的特性, 通常比筆記型電腦還輕還小。一般筆記型電腦需要放在膝上或桌上使用, 而平板電腦則具備了觸控式螢幕, 並有手寫輸入的功能, 類似一塊塗鴉板, 可以直接拿在手上使用, 更具人性化。 平板電腦曾經獲得微軟與其他公司的重視, 認為可以取代筆記型電腦的地位, 但之前因為價格居高不下、電池續航力較低、重量仍然不夠輕等因素, 導致一度被認為是失敗的產品。

67 平板電腦 不過 Apple 公司於 2010 年推出了 iPad 平板電腦, 重量僅約 0.7 公斤, 售價低於新台幣 2 萬元, 改善了過去平板電腦的缺點。 iPad 使用類似 iPod、iPhone 的觸控介面, 操作環境相當流暢、人性化, 再加上 Wi-Fi 與 3G 行動上網的功能, 從第 1 代到 2012 年的第 3 代, 每次推出都造成轟動。

68 平板電腦

69 平板電腦 同樣的, 各大廠商也都紛紛發表類似產品, 使平板電腦成為目前最具爆炸性的話題產品。

70 掌上型攜帶式電腦 － PDA 與智慧型手機 PDA (Personal Digital Assistant) 與智慧型手機 (Smart Phone) 為掌上型的攜帶式產品, 是目前主流市場上體積與重量最小的電腦, 可直接放在掌上以觸控的方式進行操作與輸入。 一般用在記事、行事曆與通訊錄等用途, 不過目前也逐漸結合相機、GPS (Global Position System, 全球衛星定位系統)等功能, 形成多用途的手機裝置。

71 掌上型攜帶式電腦 － PDA 與智慧型手機

72 掌上型攜帶式電腦 － PDA 與智慧型手機 PDA/智慧型手機使用嵌入式系統 (Embedded System, 詳見 8-41 頁), 其體積非常小, 電池所能提供的電力比較低, 中央處理單元與記憶單元也受到限制, 加上每一台 PDA / 智慧型手機內部的硬體元件都不盡相同, 與筆記型電腦/ 平板電腦大多採用和個人電腦相同的 x86 架構的狀況不同。

73 掌上型攜帶式電腦 － PDA 與智慧型手機 PDA / 智慧型手機上面常用的嵌入式作業系統有 Windows Phone、iOS、Android, 目前呈現各家爭鳴的狀態, 關於這些系統的說明, 請參見 節。

74 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。

75 1-3-2 工作站電腦

76 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。

77 1-3-3 迷你電腦

78 1-3-4 大型電腦 大型電腦 (Mainframe) 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, 可快速處理大量資料, 如銀行的金融處理、航空公司的定位系統等。

79 1-3-4 大型電腦

80 1-3-4 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)。

81 1-3-5 超級電腦 超級電腦 (Supercomputer) 主要是使用在高科技研發或軍事應用上面, 其特色是具有超高速的運算能力。如氣象局便需藉其能力來預測天氣、軍事單位用來模擬核子試爆、研究單位用來做非常複雜的運算...等。下圖是 2011 年 11 月超級電腦評比中, 獲得世界第一快榮耀的 "京(K computer)"：

82 1-3-5 超級電腦

83 1-3-5 超級電腦 國際超級電腦大會 (ISC, International Supercomputer Conference) 每半年會針對世界上的超級電腦進行速度評比, 並且將結果公布於 網站。

84 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想 追求更高的運算能力一向是資訊科學的重要課題, 此外, 其他領域學科, 如氣象、醫學、生命科學...等, 也都需要高速的電腦來進行模擬或運算, 因此超級電腦可說是很多單位夢寐以求的機器。 可是建造一台超級電腦必須花費相當多的費用, 不是普通人或一般團體單位可以負擔。

85 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想 不過正好最近十年來個人電腦上的微處理器速度以倍數成長, 雖然單一個人電腦的運算能力仍比不上超級電腦, 但如果集合數千、數萬部個人電腦一起運算, 那麼速度可就不輸超級電腦了。 事實上, 前 500 名的超級電腦中, 就有相當多是使用大量個人電腦串接而成的。

86 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想 事實上, 前 500 名的超級電腦中, 就有相當多是使用大量個人電腦串接而成的。
下圖是美國 NCSA (National Center for Superdomputing Applications, 國家超級電腦應用中心) 使用超過 1450 台個人電腦組成的 Tungsten 超級電腦, 在 2003 年 11 月的評比高居世界第 4 名, 而 2006 年 11 月仍維持第 59 名：

87 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想

88 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想 當然一次買大量個人電腦來串接也是需要很高的費用, 不過因為網路已經逐漸普及, 如果可以透過網路串接許多台個人電腦, 讓每一台個人電腦下載部分資料進行運算, 完成後將結果回傳到中央伺服器, 然後再繼續下載其他資料來計算, 就是一個經濟而且又能獲得強大運算能力的方法, 這個方法稱為分散式運算 (Distributed Computing)。

89 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想 目前最有名的分散式運算計畫為 (Search for Extra-Terrestrial Intelligence, 尋找外太空智慧), 志願參加者只要連線到其網站 下載並安裝相關軟體後, 就可以讓自己的個人電腦在閒置時, 開始計算與分析由望遠鏡獲得的資料, 尋找是否有外星人的存在, 所有參與者都有機會成為發現外星生命的第一人。

90 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想

91 分散式運算 － 完成平民的超級電腦夢想 參加分散式運算計畫可以讓自己電腦得到充分運用, 因為對於大多數人而言, 電腦中央處理單元處於閒置狀態的機會非常多, 這些閒置未用的運算能力總計起來, 可能相當於非常高速的超級電腦, 如果都能運用於有意義的計算, 對於人類的未來不啻為一股非常大的助力。

92 隨堂練習 1.請討論您會採用平板電腦或是輕省型筆記型電腦做為行動上網的裝置, 並請說明原因。
2.請上網瀏覽 網站, 檢視最近的前 500 大電腦排名。找找看有沒有位於台灣的超級電腦名列其中？排名第幾？ 3.除了 以外, 請尋找其他使用分散式運算的計畫。

93 1-4 機器人的發展 = 夢想成真 講到機器人, 當然會聯想到變形金鋼 (Transformer) 這部全球大賣座的電影。在片中的機器人行動自如, 變換身形而且還具有思考的能力。雖然電影是用比較誇張的手法來表現機器人的神勇, 但這也表示人類對機器人的未來期待, 是充滿想像力的。

94 機器人的發展與應用 機器人在國外發展已經有好幾十年, 從 1947 年第一篇關於智慧型機器人的文章發表後, 到全世界第一家機器人製造商 Unimation Inc. 成立之後, 包括史丹佛大學, 麻省理工學院, 日本一橋大學等, 都特別成立實驗室研究。

95 機器人的發展與應用 時至 21 世紀, 我們看到機器人的發展已經走進一般人的生活中, 例如 SONY 公司出品的 AIBO 寵物狗, QRIO 人形機器人、Honda 公司的人形機器人、美國 iRobot 公司出品的 Roomba 吸塵器機器人, 以及Mitsubishi 公司出品的 Wakamaru 家用機器人等等, 各式新型號的產品持續推出。

96 機器人的發展與應用

97 機器人的發展與應用 機器人的應用非常廣泛, 主要可分為工業型與服務型兩大類, 其中尤以服務型機器人為重點發展項目, 舉凡高危險性的工作、人類較難以頻繁進行的太空探索等任務, 或是一般日常起居的照料看護、學習、醫療等, 都是機器人得以大顯身手的領域。

98 機器人的發展與應用

99 機器人的發展與應用 機器人已經從以前僅會走路, 發展到能夠跳舞、托盤或推重物、辨識環境、自行充電…, 甚至 2009 年在加拿大, 還出現機器人切除腦瘤手術成功的世界首例, 真是讓人非常振奮的成就。隨著文化發展與生活型態的轉變, 未來機器人勢必會在人類生活中佔有舉足輕重的地位。

100 機器人的發展與應用

101 機器人的推廣與展望 除了學術單位以及大型企業之外, 一般的學生能參與的機器人相關活動, 也是相當的多。世界上有許多致力於機器人發展的組織, 他們會周期性的舉辦機器人格鬥或是機器人走迷宮之類的競賽活動。

102 機器人的推廣與展望 例如樂高公司教育事業部 (LEGO Education) 與國際奧林匹克機器人委員會所合辦的國際奧林匹克機器人大賽 (World Robot Olympiad), 與 FIRA (Federation of International Robot-soccer Association) 國際機器人足球聯盟所舉辦的 FIRA機器人足球錦標賽...等。這些比賽台灣也都有派隊參加, 並且得到很好的成績。

103 機器人的推廣與展望

104 機器人的推廣與展望 而台灣為了推動機器人產業的發展, 亦經常舉辦各種競賽活動, 如：IRHOCS 國際機器人實作競賽、智慧型保全機器人競賽、上銀智慧機器手等, 在激發學子創意的同時, 也可提升技術上的競爭, 藉此培育出更多優秀的人才。

105 機器人的推廣與展望

106 機器人的推廣與展望 台灣在機器人領域正在蓬勃發展, 於西元 2008 年 8 月由台灣機器人產業發展協會( 與政府單位共同主辦首屆台北國際機器人展, 更是正面提升這個產業的技術與吸引力。 此外, 台灣亦於 2010 年爭取到 FLL (FIRST LEGO League) 世界盃機器人大賽的主辦權, 藉由國際性的比賽提升台灣機器人研究的國際視野。

107 機器人的推廣與展望

108 機器人的推廣與展望 各級院校開設機器人的課程也成為趨勢, 以往機器人開發套件的價格較高, 不是所有學生都能夠接受。而現在也有一些企業推出機器人套件, 價格也大幅下降, 使得人手一 "機" 已不再是夢想, 我們也期待機器人能成為台灣未來能勝出的關鍵。

109 機器人的推廣與展望

110 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、 量子電腦
過去三十多年來, 幾乎所有的電子設備都少不了積體電路, 積體電路是由矽晶片所組成, 矽工業的快速發展帶給我們便利的科技生活。雖然矽工業目前仍然繼續推出更快更小的積體電路, 但是可以預見, 終有一天積體電路會達到其物理極限, 再也無法繼續縮小體積與加快速度。

111 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、 量子電腦
所以目前科學家持續地研究各種新型態的電腦, 除了希望能取代由積體電路所組成的傳統電腦, 也期望能獲得更快的運算能力, 為人類的文明再創新高峰。以下是目前比較受到矚目的新型態電腦：

112 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、 量子電腦
光學電腦 (Optical Computer)：光學電腦使用光線取代電流, 以不同的波長來表示不同的數據, 並改用光學元件來傳送、計算與儲存訊號, 然後藉由光的互動性來執行電腦運算。不過目前的光學晶體管體積都相當龐大, 所以仍無法製作出真正實用的電腦。

113 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、量子電腦
DNA 電腦 (DNA Computer)：生物電腦一直都是科幻小說常見的題材, 但現實生活中, 科學家已經開始研究在 DNA 內記錄資訊, 並且利用基因代碼的生化反應進行運算。DNA 電腦具備真正的平行處理能力, 不像目前電腦實際上一次只能做一件事情, 所以 DNA 電腦特別適合用來解決繁雜龐大的問題。

114 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、量子電腦

115 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、量子電腦
量子電腦 (Quantum Computer)：量子電腦的觀念最早是由理察費曼 (Richard Feynman) 提出, 將量子力學的原理應用到資訊的運算與處理。例如量子電腦是利用粒子的量子態 (如基態與激發態) 來代表 0 與 1, 量子資訊的記錄單位稱為 qubit (Quantum Bit, 量子位元)。

116 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、量子電腦
特別的是, 傳統電腦中的位元只能處於一個狀態(非 0 即1), 但是量子位元可以同時處於兩種狀態, 所以量子位元的組態比傳統電腦的位元多, 也因此能夠增加容量, 並且具有平行處理能力, 可以提高運算速度。

117 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、量子電腦
與前面兩者相較, 量子電腦是目前最具前景與潛力的未來電腦, 傳統超級電腦100 億年才能解決的大數因子分解問題, 如果使用 5000-qubit 的量子電腦, 大約 30 秒便可以解決。

118 特別企劃 未來的電腦 －光學電腦、DNA 電腦、量子電腦