计算机（又称电脑）是一种可以通过编程，自动执行一系列算术运算和逻辑运算的机器。现代计算机都是电子式、数字式的。它们用二进制数表示信息，并由数十亿个晶体管构成的电路进行处理。只要更换程序，同一台机器就能完成截然不同的任务，从科学模拟、会计核算，到通信、娱乐和人工智能。计算机的形态多种多样，小到家用电器中的微型嵌入式控制器，也包括个人电脑、智能手机，大到占满整个房间的超级计算机。研究计算及其应用的学科称为计算机科学。
早期计算工具
早在电子计算机出现之前，人们就已借助工具进行计算。已知最早的计算装置可以追溯到古代文明。算盘用于计数和算术运算。安提基特拉机械是古希腊的一种齿轮装置，能够模拟天文周期。17世纪，布莱兹·帕斯卡制造了一台机械加法器。戈特弗里德·威廉·莱布尼茨设计了一种还能做乘法的计算器，他还阐述了二进制数系统，也就是今天计算机所采用的计数方式。
19世纪，英国数学家查尔斯·巴贝奇先后设计了差分机和更具雄心的分析机。与现代计算机一样，分析机由多个相互配合的部件组成。其中包括一个可读写的存储器，用来保存数据和程序，巴贝奇称之为“仓库”（store）。另一个是控制单元，他称之为“工场”（mill）。这台机器借用了提花织机的穿孔卡片作为输入方式。巴贝奇始终没能造出分析机，但艾达·洛夫莱斯发表了关于它的注释，其中包含一种计算伯努利数的方法。许多人认为这是世界上第一个公开发表的计算机程序。1854年，乔治·布尔发表了一套逻辑代数，即今天所说的布尔代数，它后来成为数字电路设计的数学基础。
理论基础
1936年，艾伦·图灵描述了一种抽象装置，即后来所称的图灵机。这种装置按照一组固定规则，在纸带上读写符号。图灵证明，一台“通用”机器可以模拟任何其他同类机器，由此奠定了通用可编程计算机的思想。他还证明，有些问题是任何算法都无法解决的。大约同一时期，克劳德·香农证明布尔代数可以用来描述继电器电路和开关电路，从而把抽象的逻辑与实际的电气工程联系了起来。
最早的电子计算机
第二次世界大战加快了计算机的发展。德国工程师康拉德·楚泽建成了Z3计算机，用于空气动力学计算。在英国，“巨像”（Colossus）计算机协助破译了德军的电传打字机密码。在美国，约翰·莫奇利和J·普雷斯珀·埃克特在宾夕法尼亚大学研制出ENIAC。“电子数值积分计算机”（ENIAC）于1946年2月14日首次公开发布，是第一台通用电子计算机。它使用了17,480个真空管。当时给它编程，需要用手工重新连接机器的线路。
约翰·冯·诺依曼参与了ENIAC项目。他设计了另一种计算机体系结构，让程序和数据一起存放在存储器中。这种“存储程序”设计被称为冯·诺依曼结构，最早在曼彻斯特“宝贝”机（1948年）和EDSAC（1949年）等机器上得到实现。直到今天，它仍是大多数计算机的基本设计。1951年，UNIVAC I成为第一台商用计算机。
晶体管、集成电路与微处理器
1947年晶体管的发明给计算技术带来了革命，为制造更小、更高效的计算机铺平了道路。晶体管由贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布喇顿和威廉·肖克利研制。它是一种控制电子流动的半导体开关，取代了易碎且耗电量大的真空管。1958至1959年间，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯各自独立发明了集成电路。集成电路是一种紧凑的电子电路，能把多个晶体管集成在同一块芯片上，使机器变得更小、更便宜、更可靠。1971年，英特尔4004把整个中央处理器集成到一块芯片上，成为第一款商用微处理器。
几十年来，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番。这一趋势被称为摩尔定律，推动了计算机性能的持续提升。随着元件尺寸逐渐逼近原子尺度，量子效应和散热问题使进一步缩小尺寸变得越来越困难。
体系结构与组成部件
一台典型的计算机主要由以下几部分组成：
- 中央处理器（CPU）： 从存储器中取出指令并进行译码，再通过算术逻辑单元和控制电路执行指令。现代CPU包含多个并行工作的核心。
- 内存： 速度快、断电后数据会丢失的主存储器（RAM），用来存放当前正在使用的程序和数据。内存与处理器之间还设有多级缓存。
- 外存： 硬盘、固态硬盘等非易失性设备，断电后仍能保存数据。
- 输入/输出设备： 键盘、显示器、网络接口和传感器等，把计算机与用户及其他系统连接起来。
- 专用加速器： 图形处理器（GPU）等芯片能够进行大规模并行计算，如今已成为机器学习的核心硬件。
软件
硬件只有在运行软件时才能发挥作用。操作系统负责管理硬件资源、内存和文件，并为各种应用程序提供统一的运行平台。程序员使用C、Java、Python等编程语言编写指令，再由编译器或解释器把这些指令转换为机器码。如今，Linux内核等开源软件广泛运行在从手机到超级计算机的各类设备上。
计算机的类型
从20世纪50年代起，大型机开始为大型机构提供服务。20世纪60至70年代出现的小型机，使实验室和大学也能负担得起计算设备。20世纪70年代末至80年代，随着Apple II和IBM PC等机型问世，个人电脑逐渐普及。后来，智能手机和平板电脑成为许多人最主要的计算设备。嵌入式计算机则往往不为用户所察觉，它们控制着汽车、家用电器和工业设备。
超级计算机承担最繁重的科学计算任务。根据2026年6月发布的TOP500榜单，全球最强大的超级计算机是安装在中国深圳国家超级计算中心的LineShine，其HPL基准测试成绩为2.198 Exaflop/s。El Capitan以1.809 Exaflop/s位居第二。
网络与新型计算范式
计算机相互连接，形成了互联网和万维网。借助云计算，用户可以从远程数据中心租用计算能力和存储空间。2010年代以来，超大规模计算集群被用来训练大语言模型和其他人工智能系统。研究人员还在研制量子计算机，利用量子比特解决某些经典计算机难以处理的问题。光计算和类脑计算也作为传统数字电子技术的替代方案受到研究。
社会影响
计算机深刻改变了科学、工业、金融、教育和通信。它使许多例行工作实现了自动化，并催生了新的产业。与此同时，它也带来了隐私、网络安全、技术获取不平等以及数据中心能耗等问题。
参考来源
- History of Computers Timelinepreceden.com
- C4: The History of Computers - freecsc.comfreecsc.com
- History of Computersstudy.com
- ENIACengineering.upenn.edu
- A History of Computingcs.bsu.edu
- Evolution and History of Computer: From ENIAC to AIsuperprof.co.in
- The World’s Most Powerful Supercomputers in 2026: LineShine Takes the Leadstackscale.com
- China beats US in TOP500 ranking with world’s fastest supercomputertechwireasia.com