跨越計(jì)算機(jī)從而創(chuàng)造計(jì)算機(jī)

南 銳

計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生是科學(xué)技術(shù)發(fā)展史的里程碑,也是人類邁入信息化時(shí)代的重要標(biāo)志。如今計(jì)算機(jī)已經(jīng)超越了其最初應(yīng)用的領(lǐng)域,在軍事,醫(yī)療,科學(xué)計(jì)算等方面都扮演著重要的角色。隨著計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛的普及,成為了生活,生產(chǎn)以及研究中不可或缺的工具。在一定程度上,計(jì)算機(jī)的發(fā)展直接推動了人類社會的發(fā)展,那么,在計(jì)算機(jī)技術(shù)日臻成熟,高速發(fā)展的今天,我們是否能窺測未來的計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢!

回顧電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史:

第一代電子計(jì)算機(jī)1946年誕生于美國的陸軍阿貝丁炮擊場。它是一個龐然大物,占地面積170平方米,重最達(dá)30多噸,運(yùn)算速度為每秒5,000次。它使當(dāng)時(shí)的一切運(yùn)算工具相形見絀。人工需要一個星期才能完成的彈道軌跡計(jì)算,它僅用3秒鐘就完成了。

1948年,美國研制成功第一只晶體管。1956年,美國用晶體管代替電子管制成了晶體管電子計(jì)算機(jī),這就是第二代電子計(jì)算機(jī)。

1958年,美國的電子科學(xué)工作者把晶體管、二極管、電阻、電容和電感等分立的電子元件做在一塊硅片上,制成了世界上第一塊集成電路。1964年,美國生產(chǎn)出第一批由集成電路組裝成的計(jì)算機(jī)。它體積小,價(jià)格低,可靠性高,從而受到普遍歡迎,迅速得到推廣。

1971年,美國的科學(xué)家把2,250個晶體管集成到一塊只有幾平方毫來大小的硅片上,制出了世界上第一塊大規(guī)模集成電路。隨著大規(guī)棋集成電路的向世,1975年,第四代電子計(jì)算機(jī)先后在美國和日本研制出來。第四代電子計(jì)算機(jī)朝著“巨型機(jī)”和“微型機(jī)”兩個方向發(fā)展?！熬扌蜋C(jī)”容量大,速度快?！拔⑿蜋C(jī)”則以體積小,價(jià)格低廉為突出優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)在今日可以說是日新月異,一日千里,同時(shí)也印證了摩爾定律。所謂摩爾定律(Moores Law),Intel公司創(chuàng)建人之一戈登摩爾的經(jīng)驗(yàn)法則,他在1960年左右預(yù)言微處理器的處理能力每18個月到24個月將增加一倍。

但是,這種預(yù)言是否能在現(xiàn)有大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)原理上永無止境的應(yīng)驗(yàn),似乎這一點(diǎn)令人懷疑。因?yàn)橛邢蘅臻g內(nèi)無限的集成晶體管,這一舉措似乎與人類微尺度技術(shù)的發(fā)展速度格格不入。另外,由于電子本身的物理性態(tài),其易于利用電磁場的控制的優(yōu)勢,在一定限度外也就成了限制其發(fā)展應(yīng)用的絆腳石。它的內(nèi)稟性決定了基于它的運(yùn)算速度總是有閥值的,而這一閥值并不能滿足人類對于計(jì)算機(jī)的要求。那么,如何跨越我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)理論,從而創(chuàng)造出更快,更準(zhǔn),更智能化的計(jì)算機(jī)呢?解決這一問題不單單是硬件技術(shù)的發(fā)展,更深層次的應(yīng)該是技術(shù)理念的創(chuàng)新!

目前比較前沿的未來計(jì)算機(jī)的形式:

1. 光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是用光學(xué)器件構(gòu)成的一種高速計(jì)算機(jī),其運(yùn)算速度可提高1000倍。光子計(jì)算機(jī)用光子代替電子傳遞信息,光子沒有質(zhì)量,不帶電荷、傳播速度快而不互相干擾,不需要導(dǎo)線,可自由在空間傳播,易于互聯(lián)和并行處理。以光子代替電子、光互聯(lián)代替導(dǎo)線互聯(lián)、光硬件代替電子硬件,光運(yùn)算代替電運(yùn)算的全光計(jì)算機(jī)將在21世紀(jì)大為流行。

光子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)相對較難,是因?yàn)楣庾拥目刂撇蝗缬秒姶艌隹刂齐娮幽菢雍啽阋仔?但光子的速度是迄今為止人類所認(rèn)知的最快的速度,也是公認(rèn)的不可逾越的速度,因此實(shí)現(xiàn)光子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想亦是人類向具有終極速度的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所邁出的一大步。

2. 生物計(jì)算機(jī)

目前,電子計(jì)算機(jī)的核心元件——集成電路的制造工藝,已經(jīng)達(dá)到理論的極限,半導(dǎo)體芯片的電路密集、散熱問題難以解決,故運(yùn)算速度和存儲能力難以提高,因此,許多國家競相開發(fā)生物計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)的主要器件是用生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子制成的生物芯片。生物芯片的集成度是半導(dǎo)體集成電路的108~1013倍,存儲能力大、阻抗低、能耗小、運(yùn)算速度快。

生物計(jì)算機(jī)不僅能解決目前電子計(jì)算機(jī)發(fā)展中存在的散熱等難題,還由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合,再生新的微型電路表現(xiàn)出很強(qiáng)的“活性”,使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn),它能夠發(fā)揮生物本身的固有的調(diào)節(jié)機(jī)制。因此生物計(jì)算機(jī)最有可能實(shí)現(xiàn)人類追尋的“智能”解放。

3. 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)原理設(shè)計(jì)、量子器件組成的新一代計(jì)算機(jī)。量子器件是利用量子效應(yīng)而工作的器件,它是用毫微技術(shù)加工而成的毫微米級器件,與目前的電子器件相比,工作速度約可提高1000倍,能耗大大降低,尺寸大大縮小,使電路大為簡化。量子器件可構(gòu)成高密度的存儲器,其存儲密度比目前的磁盤要高出1億倍。所以,量子器件的使用和量子計(jì)算機(jī)的研制成功,將導(dǎo)致新一輪電子信息革命的到來。

量子計(jì)算機(jī)可置入一種“超態(tài)”,這種狀態(tài)下,計(jì)算機(jī)既在運(yùn)行也不再運(yùn)行,這就像是由薛定貓去控制“運(yùn)行”按鈕一樣。于是,有了這樣一個理論,在正確的設(shè)計(jì)下,量子計(jì)算機(jī)可以在沒有運(yùn)行程序的情況下就得出答案,同時(shí)避免了更少的錯誤。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際上就是人類對自然和自身認(rèn)識的發(fā)展。計(jì)算,不再是局限于我們狹義上對于數(shù)字的理解,而應(yīng)該是對于自然界乃至宇宙本質(zhì)聯(lián)系的感悟。譬如,研究人員提出黑洞乃至宇宙都是計(jì)算機(jī)。誠然,我們?nèi)祟悅€體亦是一臺精密的計(jì)算機(jī)。因此,為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展開辟新的紀(jì)元,我們首先要做的就是如何跨越我們對計(jì)算機(jī)技術(shù)和原理的故有的認(rèn)識,如何深刻領(lǐng)會各領(lǐng)域技術(shù)的本質(zhì)和關(guān)聯(lián),如何解開思想的束縛追求人類探索的最終目標(biāo)。