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电脑微型化发展之路

作者: 张尤腊 【字号: 访问量:

一、前言

在世界计算机网络的发展旅程中,有三个重要节点:

1986年,美国将6个为科研服务的、以超级计算机中心为基础的SFNET网络,采用TCP/IP协议连成Internet,标志着从美国军用网ARPAnet,演变成当今广泛使用的国际互联网(Internet);

1983年世界上第一部移动电话问世,开启了移动通信。移动通信经历了模拟通信、数字通信,直到2001年发展为第三代,即高速IP数据通信,才真正实现无线通信与国际互联网的结合,成为移动互联网(Mobile Internet);

2006年3月,亚马逊推出弹性计算云服务,同年8月,Google首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会(SES San Jose 2006)上正式提出“云计算”概念,世界迈入了云计算(Cloud Computing)时代。

无论是国际互联网还是移动互联网,都是采用客户/服务器(C/S)结构,网络用户通过客户端(Client)设备上网,服务提供商通过服务器(Server)经由网络向用户提供计算能力和服务。在云计算中,仍然有服务器,不过是服务器集群,一个云往往由几千台、几万台甚至百万台服务器组成,客户不知道也不关心具体是哪些服务器在为他工作,他认为是整个“云”为他提供计算能力和服务。

随着网络的不断发展,C/S结构逐步向两极分化,服务器这一端向巨型机方向演变,而用户所在的客户端,却变得越来越微小。

作为支撑计算服务的服务器,主要用于科学工程计算、科学模拟实验和数据处理,比如核武器设计和爆炸模拟,航天航空飞行器的设计和试验,中长期天气预报,国民经济发展预测,基因测序编辑,大数据收集和利用等。为了提高处理能力,服务器不断向高计算速度、大存储容量方向发展。计算机的发展遵循千倍定律:每隔10年性能提高1000倍,所以当今出现了许多超级计算机(Super Computer),我国的神威、银河、曙光、天河都是超级计算机,“神威·太湖之光”超级计算机已是第三次蝉联世界超级计算机排名榜单TOP500第一名,具有每秒 12.5亿亿次的峰值计算能力,以及每秒9.3亿亿次的持续计算能力。

与服务器巨型化趋势相反,客户端设备则朝着微型化方向发展, 移动、小巧是主要走向。PC互联网时代,客户端采用PC机、笔记本电脑,放在桌面上工作;在移动互联网时代采用智能手机、平板电脑,拿在手上操作;而当今把客户端设备(可穿戴智能设备)做成手表手环带在手腕上,做成眼镜戴在头上,更加小巧,更加贴近人。

在这篇文章中我们不讨论服务器巨型化问题,集中探讨客户端设备微型化的发展趋势。


二、国际互联网的客户端是个人电脑


从国际互联网面世那一刻开始,就是用PC机(台式电脑和笔记本电脑)作为客户端设备,所以这个时期的互联网也称为PC互联网,以区别于后来出现的以智能手机为客户端的移动互联网。

PC机是包含硬件和软件的完整计算机系统。当前PC机典型的硬件配置是:CPU为Intel酷睿i7,6核,内存8GB,磁盘1TB,液晶显示器21.5吋。基本的软件配置是:操作系统采用Windows10,常用的应用软件包含Office(word、power point、excel),压缩软件WinRAR,电子邮箱、图像和视频播放和处理软件等,还可以根据自己的需要付费和免费下载其它各种应用软件。硬件配置的高低决定了PC机的性能,应用软件的广泛程度决定了PC机的功能。

台式电脑有一个长方体的主机机柜,里面安装了主板、硬盘、网卡和电源。每台电脑还有一个显示器、一个键盘和一个鼠标。笔记本电脑则把上述部件合成一体。

PC机的人机交互方式,即操作方式,是我们大家再熟悉不过的了,用键盘输入,用鼠标定位操控,在显示屏幕上观看结果。

绝大多数家庭都建立家庭局域网,把家里的PC机和所有的上网设备,都通过WiFi连接到路由器上,路由器再接到Internet。如果是互联网光纤进户(FTTH),则在路由器和光纤线之间安装一个光电转换器,以便对外部的光信号与家里的电信号进行互相转换。

PC机上网有两种途径:最主要的是通过浏览器(Internet Explorer,360浏览器等)进入互联网,打开浏览器后输入网址,从而进入网页。为了避免每次浏览都要输入网址,可以在浏览器中建立收藏夹,把常用的网址存放其中,点击它即可进入网页;另一种是通过含有网络链接地址的应用软件间接进入互联网。

台式机和笔记本电脑都较大较沉,所以当它用作Internet的客户端设备时,是固定放在桌面上的。


三、用作移动网客户端的智能手机,是地地道道的掌上电脑

1、智能手机与移动互联网是相辅相成共同发展起来的

1983年,世界上第一部移动电话摩托罗拉DynaTAC 8000X在美国问世,人们把它称为“大哥大”,从而开启了第一代(1G)移动通信。第一代移动通信采用模拟技术,建立蜂窝移动网,实现了移动语音通信。

1991年进入第二代移动通信(2G),使用数字通信技术GSM和CDMA,进行语音通话和发短信,使服务质量有了很大提高,

2001年跨入移动通信第三代(3G),即高速IP数据网络,它将无线通信与国际互联网结合起来,成为新一代移动通信系统。与此同时诞生的3G手机,CPU性能大大提升,存储量扩大,并且安装了操作系统,因此跃升成为智能手机,它能够处理图像、音乐、视频流等媒体形式,提供网页浏览、电话会议、电子商务等信息服务。

2009年移动通信进入第四代(4G),即全IP数据网络,采用LTE技术,将语音转换成数字,以VoIP形式传输,实现高速数据通信,能够传输高质量视频图像。作为4G智能手机,无论是CPU,存储器和操作系统,与3G手机相比,其性能又有质的飞跃。

所以,智能手机是在移动互联网发展过程中作为客户端设备而产生的,它是移动互联网的一个重要组成部分。

2、智能手机就是一台可以随身携带的“货真价实的电脑”

智能手机,别看它小,实际上它是具有冯·诺尔曼体系结构的完整计算机系统,一般电脑的基本硬件和软件,它一点都不少。以苹果iPhone7 Plus为例,它硬软件配置是:

CPU:型号A10,协处理器M10,4核,64位

内存(RAM):容量3GB

只读存储器(ROM):容量分三档 32/64/128 GB

显示屏:5.5吋,全高清1920×1080像素,电容屏,多点触控

网络连接:室内通过WiFi、室外通过移动数据网接入互联网

设备连接:NFC,蓝牙4.2

操作系统:苹果iOS 11

智能手机在人机交互方式上与PC机有所不同,只能在屏幕上用手指书写输入,用触碰进行操控,所以智能手机的显示屏既是显示器,也是输入和控制面板。智能手机的辅助人机交互方式是语音交互,例如Apple的Siri,可用来进行语音输入、查询检索。

智能手机既然是电脑,所以其上网方法与PC机一样,也是有两种途径。第一种途径通过浏览器接入网页。智能手机提供了适合于它的浏览器,例如苹果iPhone上的Safari,用户打开Safari,输入网址,即可进入网页。如果手机和PC机都作了设置,PC上收藏夹存放的网址,将通过iCloud云自动同步到手机的书签中,手机用户点击书签中网址,进入网页。收藏夹和书签同步给手机上网提供极大方便。第二种途径是通过含有网络链接地址的应用软件间接进入互联网。

综上所述,智能手机具有高性能CPU、大存储容量、高清显示屏、强大的操作系统和无线Internet接入能力,它的性能和功能毫不逊色于中档台式PC机,只不过其配置被压缩集成于15.8×7.8×0.73 cm的机壳内,当你把智能手机装进口袋出门时,你应该时刻意识到,你兜里正揣着一台高性能电脑呢。

3、巨量的应用软件,使得智能手机的用途能够无限扩充

世界各国企业和个人,为智能手机开发了大量应用软件(App),据统计,目前约有402万款App,如此巨量App,是智能手机真正魅力所在。每个智能手机用户,可免费或付费下载安装自己需要的应用。有人作了统计,社会上在用的高、中、低端智能手机,平均安装了56、52、39个App。同一型号的手机,如果仅仅使用其基本的硬软件系统,大家感觉是在用完全一样的手机,但是不同的人,精心选择和安装使用各自需要的应用软件,那么同一型号手机就变成各具特色的手机。设想一下,如果你除了用手机拍照外,利用手机的照片编辑功能对照片的光效、颜色、旋转作简单的前期修饰,再利用照片美化编辑、照片拼图、滤镜等众多App作后期处理,那就把智能手机变成一个照相馆;如果你仔细挑选翻译神器、翻译官、同声译等App,并精心组织起来,那么你带着手机旅行时,实际上你就带了一个翻译官。

特别值得一提的是腾讯公司于2011年发布的“微信”App,它的初衷是要开展即时通讯和推动社交活动,后来又增加了购物和支付的商务功能,还提供了广泛的城市服务,今年刚发布的小程序又把更多的应用连接进来。微信大大拓展了智能手机的应用领域,为我们在衣食住行、购物支付、文化娱乐、投资理财等各个方面提供全面服务。仔细想一想,我们朋友聊天,采购商品,看书读报,住宿酒店,出门坐车,生活缴费,转账汇款,医院挂号,观看电影,收听广播,哪一样能离开微信?微信越来越多地渗透到我们日常生活的方方面面,不仅让我们的生活更加丰富多彩,而且正在逐步改变我们的生活方式。

4、拥有一部智能手机相当于拥有照相机,收录机,电视机,播放机

当今的智能手机都是一台照相机,以iPhone7S Plus为例说明手机上的照相机性能。它有3个摄像头。后置的2个摄像头,各为1200万像素,拍摄全景照片时可达6300万像素,可录制4K视频(3840x2160,30帧/秒),2 倍光学变焦,最高可达 10 倍数码变焦。前置的摄像头为 700万像素。这样高的性能,如果不是专业摄影师,仅仅是家庭生活记录,这样的照相机完全满足要求了。

安装了“手机电视高清直播”、“电视直播大全”、“电视瞄TV”、“电视直播表”等App中的任何一个,你的手机就成为电视接收机,可看央视和地方电视台直播,也可以点播。

如果在手机上安装了“蜻蜓FM”、“凤凰FM”、“酷我听书FM”、“懒人听书”、“氧气听书”、“喜马拉雅听书”,你的智能手机就成为一台收音机,可以听调频广播,听故事,甚至学英语。

因此,拥有一台智能手机,等于拥有一套过去家庭常用的电子设备。

5、有了智能手机就有了一批仪器仪表

无论你身在何处,只要打开手机上“指南针”App,马上就知道东南西北方向,知道你当时所在位置的经纬度和海拔高度,这为旅行、登山提供方便。

智能手机内藏GPS部件,手机的应用软件可以借助于该部件实现目标定位,把目标所处位置显示在地图上,让人一目了然。微信软件借助它能在地图上标出一群人当前在城市何处,能在开会通知中用地图标出会场地点,在美团外卖软件中快餐递送员凭借它可以方便找到订餐人住址,摩拜单车公司利用它知晓共享单车的停放地。

智能手机有重力传感器,能让屏幕自动旋转;有距离感应器,能判断物体位置。

所以,拥有一部手机,就拥有电子罗盘,定位器,重力传感器,距离感应器等一批仪器仪表。


四、可穿戴智能设备是比智能手机更微小的电脑

1、穿戴式智能设备形态和用途

八十年代加拿大Steve Mann教授研发出了世界第一款可穿戴计算机,此后,他相继发明了高动态范围成像技术、智能手表可视电话、数字眼镜等一系列开创性技术与设备,为此世界上把这位可穿戴设备的开创者称为“可穿戴之父”。此后可穿戴设备经过了近30年的艰难历程,直到最近10年来才得于快速发展。

穿戴式智能设备被做成眼镜、头盔、手表、手环、手套、项链及鞋袜等形态,主要用于医疗手术、身体监控、运动测试、军事行动、工业生产、教育培训、娱乐游戏等诸多方面。

2012年4月,谷歌正式发布“Project Glass”智能眼镜,不久前又推出企业版Google GlassEE。谷歌眼镜是一款固定在眼镜上的光学头戴设备,它利用摄像头、微型投影仪、凸透镜、红外传感器和网络设备的协同工作完成应用。当前可用于工厂安装维修、外科手术、自动护理等领域,此外可以拍照、录像、打电话、导航、收发短信、网页浏览、天气路况查询等。谷歌眼镜的操作控制方式有手动、语音控制和眨眼控制。

苹果公司今年9月发布了最新版Apple Watch Series 3。谷歌智能手表主要用途是运动健身,包括查看心率,健身记录,体能训练。此外还可以打电话、地图导航、查看天气、播放音乐、阅读和回复邮件、发送信息、安排日程和提醒。

2、穿戴式智能设备是戴在手腕、头上的微型电脑

以Apple Watch Series3为例,它的硬件软件组成如下:

CPU:Apple W2,双核

存储器:8 GB

显示屏:两种大小,38毫米:272*340像素;42毫米:312*390像素 纠错

网络连接:LTE 和 UMTS3(室外高速IP)

WiFi (室内无线上网) 纠错

设备连接:蓝牙4.2;纠错 NFC

定位:内置GPS,GLONASS定位系统 纠错

感应器:心率传感器,加速感应器,陀螺仪,环境光传感器,气压高度计纠错

人机交互:扬声器和麦克风,支持Siri

操作系统:iOS

Apple Watch Series3就如人们常说的,麻雀虽小五脏俱全,它虽然只有约4厘米见方,可是它与智能手机相比,除了体积小外,其硬件软件配置一件也不少。

在苹果Watch 2,打电话时还要靠智能手机转接,只能在家里通过WiFi上网,而在当前最新型号Watch 3,它具有智能手机一样的蜂窝数据通信功能(LTE),因此它可以直接对外打电话,无需经过手机转接,不仅可以在家通过WiFi上网,在室外可以经由蜂窝数据通信上网。

所以我们的结论是,可穿戴智能设备与智能手机一样,也是地地道道的电脑,只不过体积小,以手表、眼镜形式佩戴在手腕、头上。

3、发展前景

穿戴智能设备的发展有赖于多种条件。从体系结构说,需要高性能的专用芯片,要有轻量级的OS;从传感技术和扩展应用角度说,要有多种类型的高精度传感器件,需要增加血糖、血样、摄氧量的检测;从人机交互角度说,要使语音交互尽快成熟,增加触感交互、体感交互、手感交互;从产业角度说,要建立数据接口标准,要建立互操作平台;从法律角度说,要避免侵犯人们隐私。

正是因为这些条件难于在短期内全面具备,所以穿戴智能设备在很长时间里发展缓慢,许多产品没有成为人们须臾不能离开的生活必需品,往往成为装饰品。

最近几年在许多领域,对穿戴智能设备的市场需求比较强烈,有关技术也取得了长足进步,特别是人工智能、虚拟现实、语音识别技术的显著发展,为穿戴智能产品的发展提供了有利条件,从而促使穿戴设备从概念化加速走向商用化,促进现有的一些产品向纵深应用发展,比如谷歌眼镜,在大型飞机装配方面大显身手。

从统计数字可以看出穿戴式智能设备发展的良好态势,2013年售出的可联网的穿戴式智能设备1500万台,预计2017年将售出7000万台,发展前景喜人。

五、结语

作为网络客户端设备,从台式机,到智能手机,再到智能穿戴设备,体积越来越小,但是始终坚持智能化。智能化的前提条件必须是电脑,即是说要有CPU、存储器和操作系统。因为是电脑,才有处理能力,才能开发出各种应用。许多品牌的手机、穿戴设备,最初的版本只具有简单的处理单元,没有操作系统,最终都升级为按冯·诺尔曼体系结构建造的完整电脑。

网络客户端设备越小型化,感知能力越重要。作为Internet客户端的PC机,没有传感器,因为无此需要;作为移动互联网客户端的智能手机,需要一些通用的传感器,比如GPS、加速感应器,陀螺仪等;到了智能穿戴设备,感知能力起关键作用,需要与应用紧密相关的专用传感器,比如血糖、血样、摄氧量检测。

作为互联网客户端设备,由于从通用向专用发展,由大向小紧缩,所以越来越贴近人体:台式机放在桌面上;智能手机拿在手上;智能穿戴设备贴在身上。顺着这种趋势发展,如果有一天把更小的设备植入到人体内,成为人体不可分割的组成部分,那也不必惊讶。事实上这种试验已经开始,在聋哑人头皮内植入智能芯片,并与听觉神经相连,让天生聋哑人第一次听到美妙的自然界声音。

(2017年9月)

作者简介:
张尤腊:中国科学院软件所/计算机网络信息中心研究员