微型计算机系统硬件组成

微型计算机是由CPU、主机板、显卡、声卡、内存以及显示器、硬盘、键盘、鼠标器等多个部件连接组装而成的。按外观和硬件体系来分，又可分为台式机、笔记本和一体机三种。

.3.1 微型计算机的硬件系统

1.微型计算机的主板

主机板（主板、mainboard）是微型计算机中最大的一块电路板，是电脑系统中的核心部件，它的上面布满了各种插槽（可连接声卡/显卡/MODEM/等）、接口（可连接鼠标/键盘/打印机等）、电子元件，主板的性能直接影响到整个系统的性能。

如果将CPU比作微型计算机的大脑或心脏，那么微型计算机主板就可称为微型计算机的神经系统。主板是一种高科技、高工艺融为一体的集成产品，其上布满了各种插槽和接口，是微型计算机的主要部件。主板的性能决定了CPU、内存、显示卡、接口是否能充分发挥作用，现代的主板性能是由其芯片组确定的。图1-7为一块微型计算机台式机的主板。

图1-7 微机台式机的主板

芯片组（Chipset）是由集成电路厂家生产的逻辑控制芯片，是构成主板电路的核心。它把以前复杂的电路和元件最大限度地集成在几个芯片内。芯片组从结构上又可分为南桥和北桥芯片，北桥负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。南桥主要负责I/（接口以及IDE设备的控制等。不同的芯片组支持不同的CPU，性能也不同。

2.接口和总线

（1）接口

主板上的接口是连接外设的门户。图1-8是主板上的接口，目前常用的接口种类如下：

①串行口：为9针双排插座（阳接头），一般有两个，用来连接串行鼠标器、外置调制解调器（Modem）等，目前已淘汰；

②并行口：为25芯双排插座（阴接头），一般用来连接打印机、扫描仪等；

图1-8 主板上的接口

③PS/2口：为早期IBM-PS/2计算机所设计的，因而得名，用来连接鼠标器和键盘，但两者不能混用；

④USB口：USB口是通用串行总线接口，最初主要应用于那些不需要高传输速度的PC外设上，比如键盘、鼠标等；随着USB 3.0的推出，一些基于USB的高速设备应运而生，诸如USB 3.0大容量存储工具（如移动硬盘）、备份工具（如高速度刻录机）以及新的数码摄像机和数码相机产品；

⑤声卡音频接口：声卡音频接口有3个，其中两进一出，分别用于外接扬声器、话筒等；

⑥游戏接口：声卡上的15针双排插座（阴接头），可用来连接游戏操作杆（Joystick）；

⑦IEEE1394接口：IEEE1394是一种外部串行总线标准，又称为Firewire（火线）或P1394，是Apple公司制定的标准，最初只是用来连接数码摄像机，如今已出现了其他一些相关设备，如数码相机、硬盘等。IEEE1394是高性能串行总线，能够以400Mb/s的传输速度连接63个外设。

IEEE1394标准有以下特点：使用统一的端口和不同的外设连接；使用的连接线是串行线，而不是并行线；可以热插拔，也支持即插即用；支持以不同方式连接设备，不需要进行复杂的配置过程；现在的数码摄像机就是使用这种标准的。因为IEEE1394是一个对等的接口，设备之间可以一个个相互连接，而不需要直接和计算机相连。图1-9所示是IEEE1394接口外观，图下方是IEEE1394的延长连接线。

图1-9 IEEE1394接口外观

（2）总线（Bus）

总线是计算机内部的公共信息通道，从功能上可分为：

①地址总线（Address Bus）：传送数据或指令的地址；

②数据总线（Data Bus）：进行数据传送；

③控制总线（Control Bus）：进行指令传送。

为了方便与外围设备的数据交换和扩展计算机的功能，制定了许多标准总线，也称为外部总线，如工业标准体系（Industry Standard Architecture ISA）总线、外围部件互联总线（Peripheral Component Interconnect PCI）、加速图形端口总线（Accelerated Graphics Port AGP）、PCI Express总线等，不同标准的总线工作频率、宽度和传输速率等性能指标不一样。

3.显卡、声卡和BIOS

（1）显卡

显卡又称显示器适配卡，是连接主机与显示器的接口卡。显示适配器提供了计算机同显示设备之间的接口，是控制显示设备显示图像信号的接口设备。显卡的使用需要得到CPU和主板的支持。如果CPU的性能太低，它就不能提供给显卡更多的多边形变换等的计算数据，这样就制约了显卡的性能发挥；而如果显卡的性能过低，即使CPU再强大，也无法提升画面质量和流畅性。

（2）声卡

要用计算机处理声音信号，让计算机发出各种声音，用计算机播放有声的视频节目（VCD）、电子图书、教学光盘等都离不开声卡。

声卡把连续变化的声音波形信号（称为模拟信号）转换成为数字信号，因为计算机中只能存储数字信号。把模拟信号转换为数字信号，一般由对声音信号的采样和转换两步来完成。所谓采样就是采集声音模拟信号的样本，然后再转换成数字信号。计算机对声音采样能力常用两个参数来衡量：采样频率和声音采样信号的位数（bit）。当前声卡常用的采样频率一般为11kHz（每秒采集声音样本11千次）、22k Hz、44.1kHz和48kHz。11kHz的采样率获得的声音称为电话音质，基本上可以分辨出通话人的声音；22kHz称为广播音质；44.1kHz称为CD音质。采样频率越高，获得的声音文件质量越好，占用磁（光）盘的空间也就越大。一般情况下，一首CD音质的歌曲会占去40M左右的存储空间。声音采样信号的位数也称为采样值的编码位数或量化精度，一般为16～32位，位数多，则计算机对声音波形描述的精度就高，声音的质量也高。

（3）BIOS和CMOS

BIOS（Basic-Input-&-Output-System基本输入/输出系统）可称为ROM-BIOS，意思是只读存储器基本输入输出系统。其实它是一组固化在计算机主板上一个ROM芯片中的程序，保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机上电自检程序和系统启动自举程序。

CMOS是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片，用它来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。现在的厂商们已把设置CMOS的程序嵌入BIOS芯片中，当开机时按特定键就可进入CMOS设置程序对系统进行设置。所以又被人们叫作BIOS设置。

1.3.2 中央处理器

1.CPU的作用

中央处理器（Central Processing Unit简称CPU）是计算机的大脑和心脏，主要由运算器、控制器、若干个寄存器和高速缓冲存储器等组成。微型计算机中CPU的型号直接反映了其档次，以Intel公司生产的个人计算机的CPU芯片为例，自1981年起的8086、8088、80286、80386、80486，到1990年代的Pentium I（奔腾）至Pentium Ⅳ，再到今天的双核和四核处理器，CPU的性能不断提高，引领着微型计算机的迅速发展，Intel的这种CPU芯片也称为X86系列。

CPU的主要生产厂商有Intel、AMD等公司，目前较常用的有Intel公司的酷睿2的i3/i5/i7系列和AMD公司的闪龙、速龙、皓龙等型号。图1-10是一种四核的Intel core I7的CPU照片。

图1-10 Intelcore I7的CPU

2.CPU的性能和指标

CPU主要有如下一些评价指标：

（1）主频

主频即CPU的时钟频率，目前较常见的有2～3GHz多种产品，随着集成电路技术的发展，目前Intel桌面CPUP4已达到了3.4GHz。在多核时代，CPU的主频＝外频×倍频系数，但有时不是一个简单的线性关系。通常，主频越高，CPU处理数据的速度就越快。

（2）外频

外频即与CPU相连的主板的时钟频率，也称为FSB（Front Side Bus，前端总线的时钟频率或前端总线），前端总线速度快则可提高系统的数据传输速度。

（3）高速缓冲存储器（Cache）

高速缓冲存储器可以提高读取速度，目前用于微机的多核CPU中的高速缓冲存储器有三级，即L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache。高速缓冲存储器可以大大提高CPU的运行效率，其容量大小已成为评价CPU的重要指标。

（4）制作工艺

微米工艺表现了微电子工业的水平，目前情况为0.022～0.032微米（22～32纳米），越小则集成度越高。

（5）字长

字长即同步处理的位数。字越长，处理能力就越强，目前主流CPU的同步处理数据能力为32～64位。

3.双核处理器（Dual Core Processor）和多核处理器

双核/多核处理器是指在一个处理器（CPU）上集成两个或多个运算核心，从而提高计算能力。“双核”的概念最早是由IBM、HP、Sun等支持RISC架构的高端服务器厂商提出的，主要运用于服务器上。而台式机上的应用则是在Intel和AMD等公司的推广下，才得以普及。

双核处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。2005年下半年，Intel和AMD的新型处理器融入了CMP（对称多处理器）结构。新安腾处理器开发代码为Montecito，采用双核心设计，拥有最少18MB片内缓存，采取90nm工艺制造，其设计绝对称得上是对当今芯片业的挑战。它的每个单独的核心都拥有独立的L1，L2和L3三级Cache，包含大约10亿个晶体管。

近年来，Intel和AMD都推出了多款四核的CPU，目前已成为主流产品。在一项软件模拟测试中，双核平台5120处理器用了22.83秒，升级到四核后，新平台完成该项测试仅花了14.33秒。四核处理器完成用时仅15秒，双核处理器用时为23秒，处理时间快了8秒，性能提高53％。

X86多核处理器标志着计算技术的一次重大飞跃。这一重要进步发生之际，正是企业和消费者面对飞速增长的数字资料和互联网的全球化趋势，开始要求处理器提供更多便利和优势之时。较之以前的单核处理器，多核处理器能带来更多的性能和生产力优势，因而最终将成为一种广泛普及的计算模式。

多核处理器还将在推动电脑安全性和虚拟技术方面起到关键作用，虚拟技术的发展能够提供更好的保护、更高的资源使用率和更可观的商业计算市场价值。普通消费者也将比以往有更多的途径获得更高性能的处理器，从而提高家用电脑和数字媒体计算系统的使用效率。

在单一处理器上安置两个或更多强大的计算核心的创举开拓了一个全新的充满可能性的世界。多核处理器可以为战胜今天的处理器设计挑战提供一种立竿见影、经济有效的技术——随着单核处理器的频率（即“时钟速度”）的不断上升而增高的热量和功耗可因多核处理器的使用而有所降低。多核处理器有助于为将来更加先进的软件提供卓越的性能。现有的操作系统（例如MS Windows、Linux和Solaris）都能够受益于多核处理器。

虽然多核芯片有机会成为处理器发展史上最重要的改进之一。但是，多核处理器面临的最大挑战之一就是处理器能耗的极限。性能增强了，能量消耗却不能增加。根据测试显示，代号Smithfield的CPU热设计功耗高达130瓦，比现在的Prescott处理器再提升13％。由于今天的能耗已经处于一个相当高的水平，所以双核甚至多核处理器的能耗问题将是考验Intel和AMD等生产厂家的重要指标之一。

1.3.3 存储器

存储器包括内部存储器（内存）、外部存储器（外存）和高速缓冲存储器（Cache）。

1.内存储器

内部存储器又称为主存，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

（1）随机存储器（RAM）

内存中大部分是RAM，其特点是可读/写，但数据的保持时间很短，必须不断刷新，因此在断电后数据会丢失。

RAM有多类，有较早期的SDRAM、RDRAM（Rambus）、DDRRAM等，目前主流的是DDR3 RAM，相比DDR2 RAM，具有能耗低、产热少、实际工作频率高等优点。

（2）只读存储器（ROM）

ROM中的数据是只读不写的，但在断电后不会丢失，一般用于保存不更改的数据，如BIOS的信息。

内存也是反映计算机性能的一个重要参数，如微软官方宣称：运行Windows XP推荐的内存是128MB以上，最低为64MB，但如果系统内存为64MB，则有很多功能将会受到限制。实际运行Windows XP最好内存在256 MB以上，而运行Windows 7内存要在1GB以上。常用的内存性能指标有：

①容量：目前一般为2～4GB；

②运行频率和带宽：理论带宽的计算公式是：内存带宽＝内存运行频率×8Byte （64bit）。如DDR266的内存就可以换算为266MB/s×8Byte＝2 128MB/s，所以DDR266通常也被称为PC2100，同理DDR200是PC1600，而DDR333是PC2700，DDR400是PC3200。用内存的带宽来表示比用运行频率表示更能体现内存的性能。

2.外存储器

外部存储器又称为辅助存储器，由软盘、硬盘、U盘、光盘和磁带存储器等组成。可以在断电的状态下保持数据。

（1）软盘和软盘驱动器

软盘盘片需放置在软盘驱动器中使用，3.5英寸的软盘容量是1.44MB。其特点是体积小、便于携带；但是由于容量太小，盘片较易损坏，目前计算机已弃用软盘而改用U盘。

（2）硬盘

硬盘是一组封装在驱动器内的盘片，是外存中最主要的存储器，其特点是读/写速度快、容量大。硬盘分为固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HDD）、混合硬盘（HHD）。固态硬盘速度最快，混合硬盘次之，机械硬盘最差。容量越大的硬盘存的文件就越多，可大量存放电影、音乐等多媒体数据。硬盘的数据读取与写入的速度和硬盘的转速有关，高速硬盘一般用在大型服务器中，如10 000转/分、15 000转/分等；低速硬盘用在一般电脑中，台式机电脑一般用7 200转/分，笔记本电脑一般用5 400转/分，这主要是考虑到高速硬盘在笔记本电脑中由于电脑移动震动意外刮伤硬盘盘片以及功耗和散热原因。

硬盘速度又因接口不同，速率不同，一般而言，分IDE和SATA（也就是常说的串口）接口，早前的硬盘多是IDE接口（已淘汰），相比之下，存取速度比SATA接口的要慢些。

硬盘的性能指标主要有：

容量：目前一般为500GB～2TB，已有高达4TB的硬盘；

转速：目前一般为5 400～10 000转/分；(www.chuimin.cn)

缓存：16～64MB。

硬盘的使用环境应保持清洁，并避免震动。为便于携带，使用USB接口的移动式硬盘，可以进行大容量的数据交流。

（3）U盘

U盘也可写为优盘，即USB移动盘。图1-11为U盘照片，左侧的线缆为方便使用的延长连接线。

图1-11 U盘和延长连接线

U盘采用闪存（Flash Memory）芯片为存储介质，通过USB接口实现即插即用地与计算机交换数据。主要具有以下特点：无须驱动器、无外接电源、在Windows2000/XP/7/8环境下无须驱动程序；数据保存安全，具有抗震、防磁、防潮的特点，还能防止引导区病毒；读写速度快，USB 3.0可达4.8Gb/s；使用寿命长，数据可保存十年以上；可靠性好，可擦写次数超过100万次；容量大，通常为8～64GB，目前最高可达1TB；耐高低温，携带方便；体积非常小，质量仅为10多克。

U盘正以其安全性、大容量、方便性、时尚性等显著优点而迅速普及开来。

（4）光盘

数据光盘常用CD和DVD两种格式。一张CD盘片的容量是650～700MB，而一张DVD盘片的容量是4.7～17GB。光盘按其读/写功能又可分为只读、一次性写入和可多次读/写的三种类型。其中：只读光盘只能读取光盘中原有数据，不能对其进行修改或删除；一次性写入光盘可以一次性写入数据，写完后即成为只读光盘；可多次读/写光盘可多次读和写。

目前最常用的是只读光盘即CD-ROM和DVD-ROM。

CD-ROM将早期150MB/s的传输速率定义为单倍速，以其倍数来表示CD-ROM驱动器的传输速率，目前的CD-ROM驱动器一般是44～52倍速。

DVD-ROM将1350MB/s的传输速率定义为单倍速，以其倍数来表示DVD-ROM驱动器的传输速率，目前的DVD-ROM驱动器一般是4～16倍速。

随着价格的下降和越来越多的DVD刻录工具的问世，一次性写入的DVD光盘驱动器和光盘也逐渐普及，它不仅可以刻录一次性写入的DVD-ROM光盘，还可以制作DVD娱乐光盘。

3.高速缓冲存储器（Cache）

简称高速缓存，最初是为了加快中央处理器和内存之间的数据处理而设立的，它不占用内存地址，不属于内存。由于可以提高读取速度，现在许多设备上都设置了Cache，例如目前的多核CPU内带有三级缓存：L1 Cache，L2 Cache和L3 Cache；主板上、显卡、硬盘、DVD-ROM上都有缓存，已成为这些器件性能的重要指标。

1.3.4 输入设备

输入设备是用户向计算机输入信息的设备，通常有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头以及条形码阅读器等。

1.摄像头

摄像头是近年来较多出现的一种输入设备，装上后利用计算机的话筒等设备，可以方便地将实时音频和视频加入到即时通信之中，进行可视通话，并和家人、朋友及同事举行视频会议。图1-12为摄像头及屏幕景象。

图1-12 摄像头及屏幕景象

2.扫描仪

扫描仪是一种捕获影像的装置，可将影像转换为计算机可以显示、编辑、储存和输出的数字格式。扫描仪的应用范围很广泛，例如将美术图形和照片扫描结合到文件中；将印刷文字扫描输入到文字处理软件中，避免再重新打字；将传真文件扫描输入到数据库软件或文字处理软件中储存；以及在多媒体中加入影像等等。

扫描仪的技术指标主要有：光学分辨率、色位等，目前的扫描仪多采用电荷耦合元件CCD作为感光器件，使用USB接口。

3.条形码阅读器

条形码技术作为物流信息系统中的数据自动采集单元技术，是实现物流信息自动采集与输入的重要技术。条形码最早出现于20世纪40年代，但是得到实际应用和迅速发展还是在近20年。

条形码是在计算机的应用实践中产生和发展起来的一种自动识别技术。具有输入速度快、信息量大、准确度高、成本低、可靠性强等特点。条码技术为我们提供了一种对物流中的物品标识和描述的方法，借助自动识别技术、POS系统、EDI等现代技术手段，企业可以随时了解有关产品在供应链上的位置，并即时作出反应。今天，在超市、大型仓库等处，条形码技术已得到了广泛的应用。图1-13所示为一款条形码阅读器。

图1-13 条形码阅读器

1.3.5 输出设备

输出设备是计算机向用户输出信息的设备，通常有显示器、打印机、绘图仪及投影机等。

1.打印机

打印机是重要的输出设备，较常用的有针式打印机、激光打印机和喷墨打印机。表1-1为三类打印机的性能比较。使用打印机一般要安装其对应的驱动程序。

表1-1 三类打印机的性能比较

①DPI是Dots Per Inch（每英寸所打印的点数）的缩写，是打印机、鼠标等设备分辨率的单位。

（1）针式打印机针式打印机是一种点阵式打印机，曾广泛应用于20世纪80年代，它通过打印头上的细小针头形成字模或图形进行打印。其特点是能够连续走纸，但是打印速度较慢，且噪声较大。但由于多联纸一次性打印完成只有针式打印机能够快速完成，所以对于医院、银行、邮局、彩票、保险、餐饮等行业用户来说，针式打印机是他们的必备产品之一，因为只有通过针式打印机才能快速地完成各项单据的复写式打印，为用户提供高效的服务，而且还能为这些窗口行业用户保存底单。

（2）激光打印机

激光打印机的成像原理与复印机类似，是将计算机传来的二进制数据信息，通过视频控制器转换成视频信号，再由视频接口/控制系统把视频信号转换为激光驱动信号，然后由激光扫描系统产生载有字符信息的激光束，最后由电子照相系统使激光束成像并转印到纸上。

激光打印机能产生较高质量的图像。其优点是打印速度快、质量高（可达4 800DPI高分辨率），缺点是价格较贵，特别是激光彩色打印机，所以使用较多的是激光黑白打印机。

（3）喷墨打印机

喷墨打印机是通过高速喷射微滴墨水来打印图像，随着喷墨打印技术的不断完善和提高，通过打印方式制作的照片在品质上已经完全能和传统冲印输出的照片相媲美，因此得到了广泛的应用。其特点是打印机价格较便宜，方便彩色打印，打印质量较高，可达2 880× 1 440DPI甚至5 760×720DPI，并能实现无边距打印；但是墨盒需常换，因此彩色打印的成本并不低，其速度比激光打印机慢。

2.显示器

显示器的种类有显像管显示器、等离子体显示器和液晶显示器等。

（1）显像管显示器可统称为CRT显示器（Cathode Ray Tube阴极射线管），其发展历史几乎就代表了显示器的发展历史。而显像管发展的一个重要标志就是显像管的形状，它的发展经历了球面、柱面、平面直角、超平面、纯平面等过程。

显像管的性能指标主要有：

①点距：相邻同色荧光粉像素点之间的距离，一般在0.28～0.24mm。

②尺寸：显示屏对角线长度，一般为14～21英寸[1]。

③分辨率：显示屏的水平和垂直方向的像素点数目，有800×600，1 024×768，1 600×1 200等多种规格，分辨率高则图像清晰。

（2）PDP（Plasma Display Panel）等离子体显示器

等离子体显示器技术是利用氦、氖、氙等混合气体在密闭空间加压放电产生等离子体生成紫外线使荧光屏成像的技术。

等离子体显示器的特点：图像显示清晰、色调鲜明、对比度高；色纯度好，可与阴极射线管（CRT）显示器媲美，可以实现大面积显示；其视角较宽可达160°；可实现高亮度，耐环境性能好，寿命长，单色PDP已超过100 000小时；彩色PDP可达50 000小时。

（3）LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示器

液晶显示器的工作原理与传统CRT显示器完全不同。它最基本的显示组件是液晶材料。通俗地说液晶显示器就是两块玻璃中间夹了一层或多层的液晶材料，玻璃后面有几根灯管持续发光，液晶材料在信号控制下改变自己的透光状态，就能在玻璃面板前看到图像了。

液晶显示器可分为DSTN和TFT两种。它的可视面积是实实在在的，大体上有这样一个参照：15英寸液晶显示器的可视面积接近17英寸的CRT显示器。液晶显示器因无辐射、能耗低、重量轻、超薄型及环保设计而受到人们的青睐。

液晶显示器的性能指标主要有：分辨率、点距和可视面积、屏幕坏点、亮度、对比度、可视角度和响应时间等。

目前液晶显示器已取代显像管显示器成为主流显示屏。常用的有19～23英寸，也有27英寸乃至更大的屏幕。屏幕的大小和分辨率是相关的，表1-2为液晶显示器的最大分辨率。

表1-2 液晶显示器的最大分辨率

液晶显示器在使用中要注意避免进水、避免刮伤，注意安全清洁，不可随便拆卸，因为即使很久不用，内部仍有高压。

液晶显示器近年来采用的LED背光、3D等新技术和绿色环保的特性使其得到了更广泛的应用。

1.3.6 一体式微型计算机

电脑一体机（图1-14）是台式机和笔记本电脑之间的一个新型的市场产物，是将主机部分、显示器部分整合到一起的新形态电脑，该产品的创新在于内部元件的高度集成。随着无线技术的发展，电脑一体机的键盘、鼠标与显示器可实现无线连接，机器只有一根电源线，这就解决了一直被人诟病的台式机线缆多而杂的问题。

图1-14 一体式计算机

一体机具有如下几个特点：

①外观时尚，轻薄精巧。高度集成化的设计简约时尚，可移动性好，便携性高。

②节省空间。液晶一体机是将主机和液晶显示器、音箱结合为一体的机器，将主机的硬件都放到了液晶显示器的后面，并尽量将其压缩起来，同时内置音箱，使体积尽可能地小，这样可以使用户大大节省放置机器的空间。

③降低能耗。一台普通台式电脑的耗电从200～400W甚至更高，而一台一体机电脑的耗电量大概为60～200W之间。

随着多点触摸式技术等新技术在一体机上的应用，使一体机能更快地进入更多的用户家庭。

1.3.7 新一代计算机

进入新世纪以来，计算机的新技术和新型计算机系统不断涌现。未来的计算机技术将向超高速、超小型、平行处理、智能化的方向发展。尽管受到物理极限的约束，采用硅芯片的计算机的核心部件CPU的性能还会持续增长。美国Intel公司宣布已推出集成度为10亿个晶体管的微处理器。英特尔研究院还宣布推出一款新的处理器研究原型，在单芯片上实现云计算功能。该芯片原型拥有48个可完全编程的英特尔处理器内核，这也是有史以来集成度最高的单硅CPU芯片。

硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越近其物理极限，为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机从体系结构的变革到器件与技术革命都要产生一次量的乃至质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

1.量子计算机

量子计算机是基于量子效应基础上开发的，它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。

量子计算机中数据用量子位存储。由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。因此一个量子位可以存储2个数据，同样数量的存储位，量子计算机的存储量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算，预计2030年将普及量子计算机。

2.光子计算机

光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子，光互联代替导线互联，光子硬件代替计算机中的电子硬件，光子运算代替电子运算。

与电子计算机相比，光子计算机的“无导线计算机”信息传递平行通道密度极大。一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高速运算速度。超高速电子计算机只能在低温下工作，而光子计算机在室温下即可开展工作。光子计算机还具有与人脑相似的容错性。系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。

目前，世界上第一台光子计算机已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的70多名科学家研制成功，其运算速度比电子计算机快1 000倍。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将成为21世纪高科技课题之一。

3.生物计算机（分子计算机）

生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。

蛋白质分子比硅晶片上电子元件要小得多，彼此相距甚近，生物计算机完成一项运算，所需的时间仅为1×10﹣11秒，比人的思维速度快100万倍。DNA分子计算机具有惊人的存储容量，1立方米的DNA溶液，可存储1万亿的二进制数据。DNA计算机消耗的能量非常小，只有电子计算机的十亿分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白质分子，所以生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与生物活体相连。预计若干年后，DNA计算机将进入实用阶段。

4.纳米计算机

“纳米”是一个计量单位，1纳米等于10﹣9米，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。

现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。