计算机最主要的工作特点是,它能按照人预先设定的程序,自动、高速地对大量信息进行处理。 这个定义听起来有点干,拆开来看其实很简单,主要就是五个点:运算速度快、计算精度高、能存储、能根据程序自动工作,以及可编程。
先说运算速度快。 这是计算机最直观的一个特点。你用脑子算一道复杂的数学题可能需要几分钟甚至几个小时,但对计算机来说,就是一瞬间的事。现在的家用电脑CPU运算速度每秒可以达到几十亿次。 而那些用于科学计算的超级计算机,速度更是快到夸张,可以达到每秒万亿次以上。 比如中国的“神威·太湖之光”超级计算机,它的运算速度接近“天河二号”的3倍,超过了美国“泰坦”的5倍。 这种速度有什么用呢?最直接的应用就是气象预报。以前要预测未来几天的天气,需要大量的人力去计算各种数据,耗时很长而且不一定准。现在有了超级计算机,可以在短时间内处理海量的气象数据,对云层的运动轨迹进行精确模拟,大大提高了天气预报的准确性和时效性。 再举个例子,设计一架飞机,需要进行大量的空气动力学计算,模拟飞机在各种情况下的飞行状态。如果靠人力,这个过程会非常漫长。但用计算机来模拟,就可以在很短的时间内完成,极大地缩短了研发周期。
第二点是计算精度高。 计算机的计算精度,取决于处理数据时所用的位数(字长)。位数越多,能表示的数值范围就越大,精度也越高。虽然计算机在处理像圆周率(π)这样的无限不循环小数时,也只能取一个近似值,但这并不妨碍它在工程设计、金融分析等领域发挥作用。 因为在这些领域,要求的精度虽然高,但也是有限的。比如在航天工程中,火箭的飞行轨道计算必须非常精确,任何微小的偏差都可能导致任务失败。计算机的高精度计算能力,是保证这一切能够顺利进行的基础。但是,也要明白计算机的精度不是无限的,它受到硬件和软件的限制。比如,浮点数计算误差就是个典型问题,在一些需要极高精度的科学计算中,程序员需要采用特殊的算法来修正这些误差。
第三个特点是强大的存储能力。 计算机能把大量的信息,包括程序和数据,都存储起来。 这种能力的发展过程,其实就是一部微缩的科技史。最早的数据存储介质是打孔的纸卡,一张卡片只能存几十个字符。 后来出现了磁鼓、磁芯、磁带,存储容量一点点变大。 1956年,IBM公司推出了世界上第一块硬盘,容量只有5MB,但体积却像个大衣柜。 之后,硬盘技术飞速发展,体积越来越小,容量越来越大。 现在我们普通人用的电脑,硬盘容量动不动就是TB级别(1TB=1024GB),可以存下海量的电影、照片和文件。这种强大的存储能力,是互联网时代能够存在的基础。像谷歌、百度这样的搜索引擎,需要存储整个互联网的网页信息,没有强大的存储能力是根本无法想象的。
第四点,也是最核心的一点,就是能根据程序自动工作。 这是计算机区别于普通计算工具的根本所在。算盘、计算器也都能计算,但它们每一步都需要人来操作。而计算机不同,你可以预先把一系列的指令(也就是程序)输入到计算机里,它就会按照这些指令一步一步地自动执行,不需要人为干预。 这个概念最早由科学家冯·诺依曼提出,被称为“存储程序”原理,是现代计算机的基石。 举个最简单的例子,银行的ATM机。你插入银行卡,输入密码,选择取款金额,然后机器就会自动完成身份验证、查询余额、吐出现金、打印凭条等一系列操作。整个过程都是预先编写好的程序在控制。更复杂的例子是工厂里的自动化生产线,从原材料的加工到产品的组装、检测、包装,整个流程都可以由计算机程序控制机器人来完成,大大提高了生产效率。
最后一点是可编程性。 这其实是第四点的延伸和具体化。因为计算机能自动工作的前提是得有程序。而程序是人编写的。 可编程性,就是指我们可以通过编写不同的程序,让计算机去完成各种各样不同的任务。 这使得计算机成为一个通用的信息处理工具。 比如,同一台电脑,你装上Word软件,它就是一台打字机;装上剪辑软件,它就能处理视频;装上游戏,它又变成了一台游戏机。正是因为这种强大的可编程性,计算机才能应用到社会的方方面面,从科学研究到工业生产,从商业金融到文化娱乐。 学习编程,本质上就是学习如何跟计算机沟通,告诉它你想要它做什么。 编程语言就像是人和计算机之间的桥梁,通过它,我们可以把自己的想法和逻辑,转化成计算机能够理解和执行的指令。
总的来说,计算机就是一台能够严格按照程序指令,快速、准确地自动处理海量信息的机器。它把人的脑力从繁重的计算工作中解放出来,让我们能够去关注更具创造性的问题。

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