当我们说计算时，一般指简单的加减乘除算术运算，或对一个现实问题的求解过程，或对某个天文现象的观测和分析。而如果深究起来，我们对于大小事情的决策过程，包括个人学习和成长，语言的分析和翻译，产品的设计和生产，社会舆论和观念的传播等等，都是不同形式的计算。
看起来计算的概念似乎无所不包，我们每个人也无法避免，也难怪即使在工业革命的初期人类还没有产生多少数据时，就有人在利用机械原理和机械设备设计可自动计算的机器——差分机，在当时也算一种先进的计算机。既然计算如此普遍，那计算的本质是什么呢？
从形式上来看，所有计算过程涉及三个部分：以编码模式输入一定量的信息，然后经过一系列变化（操作），最后产生一定量的输出。
计算的范式
就拿最简单的计算——幼儿园的小朋友通过扳手指计算1加2来说，他们先打开左手的1根指头，接着打开右手的2个指头，然后将两个手并在一起，数一数，最后得出结果3。这个过程虽然简单，但它完全是以此完整的计算过程，同样也可以分为三个过程：
- 输入信息：左手的1根指头，右手的2根指头；
- 操作信息：将两手放在一起，并数总共有多少根手指；
- 输出信息：将上面所得结果读出来，或者写在纸上。
如果借助电子计算机实现1加2，那么就是将1和2分别用二进制表示为01和10，并分别存入两个寄存器，这对应于输入信息；然后在控制器的控制下，由基于电子电路实现的布尔代数，即运算器计算出结果后保存在另一个寄存器中，这是操作信息；最后将这个结果显示在电子计算机屏幕上或者用代码形式输出，就完成了整个计算过程。而如果使用比较原始的差分机，则是通过由蒸汽机提供的动力，带动机械齿轮完成相似的过程，如果是量子计算机，则通过量子力学实现相似的过程。
从中我们可以看出，不管是在什么时代利用什么原理，计算的形式和过程都是相似的，它必须通过某个物理系统，将外部世界某方面的表示转换为此物理系统内部的状态表示，并在具体的算法的指导下获得计算结果，最后再次将结果转换为外部世界某方面的表示。
从能量和信息的角度来看，上面的种种计算形式都是利用各种不同的能量形式获得新的信息的过程，比如差分机是用蒸汽的机械能，电子计算机是用电磁能，量子计算机使用量子力学实现计算。
那为什么又要这么做呢？很明显，如果不利用这些物理系统，我们也能用自己的大脑算出大部分问题的答案，但终究太麻烦，太耗费能量，也太慢了，并且我们所遇到的问题总在增多，如果不能快速解决，轻则造成损失，重则遇见危险，甚至付出生命的代价。也就是说，计算是我们人类为了生存和生活而不得不进行的一件事，完全是一种刚需。
综上所述，计算在形式上是借助某个物理系统，通过三个阶段：输入信息、操作信息和输出信息，将能量转换为信息的一种过程。在本质上，计算是我们为了解决各种困难、应对各种挑战而不得不进行的一件事。
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