全球網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下未來計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)技術(shù)

何芳原

摘要：在這個(gè)“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”的時(shí)代，計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，未來的計(jì)算機(jī)技術(shù)將向超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發(fā)展。超高速計(jì)算機(jī)將采用平行處理技術(shù)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這是改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 計(jì)算機(jī)技術(shù) 智能化

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，未來計(jì)算機(jī)將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判斷能力及一定的自然語(yǔ)言能力。除了提供自然的輸入手段（如語(yǔ)音輸入、手寫輸入）外，讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的各種交互設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)、光盤存儲(chǔ)容量繼續(xù)攀升，新的海量存儲(chǔ)技術(shù)趨于成熟，新型的存儲(chǔ)器每立方厘米存儲(chǔ)容量可達(dá)10TB（以一本書30萬(wàn)字計(jì)，它可存儲(chǔ)約1500萬(wàn)本書）。信息的永久存儲(chǔ)也將成為現(xiàn)實(shí)，千年存儲(chǔ)器正在研制中，這樣的存儲(chǔ)器可以抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕。

硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展同時(shí)也意味著硅技術(shù)越來越近其物理極限，為此，世界各國(guó)的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)從體系結(jié)構(gòu)的變革到器件與技術(shù)革命都要產(chǎn)生一次量的乃至質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等將會(huì)在21世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。

量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。

光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。

與電子計(jì)算機(jī)相比，光計(jì)算機(jī)的“無(wú)導(dǎo)線計(jì)算機(jī)”信息傳遞平行通道密度極大。一枚直徑5分硬幣大小的棱鏡，它的通過能力超過全世界現(xiàn)有電話電纜的許多倍。

生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處于不同狀態(tài)時(shí)可以代表信息的有或無(wú)。DNA分子中的遺傳密碼相當(dāng)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，DNA分子間通過生化反應(yīng)，從一種基因代瑪轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當(dāng)于輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼相當(dāng)于輸出數(shù)據(jù)。如果能控制這一反應(yīng)過程，那么就可以制作成功DNA計(jì)算機(jī)。

蛋白質(zhì)分子比硅晶片上電子元件要小得多，彼此相距甚近，生物計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬(wàn)倍。DNA分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液，可存儲(chǔ)1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。DNA計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以生物計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與生物活體相聯(lián)。預(yù)計(jì)10～20年后，DNA計(jì)算機(jī)將進(jìn)入實(shí)用階段。

“納米”是一個(gè)計(jì)量單位，一個(gè)納米等于10[-9]米，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

現(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積不過數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。

目前，納米計(jì)算機(jī)的成功研制已有一些鼓舞人心的消息，惠普實(shí)驗(yàn)室的科研人員已開始應(yīng)用納米技術(shù)研制芯片，一旦他們的研究獲得成功，將為其他縮微計(jì)算機(jī)元件的研制和生產(chǎn)鋪平道路。

今天人們談到計(jì)算機(jī)必然地和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，一方面孤立的未加入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)越來越難以見到，另一方面計(jì)算機(jī)的概念也被網(wǎng)絡(luò)所擴(kuò)展。二十世紀(jì)九十年代興起的Internet在過去如火如荼地發(fā)展，其影響之廣、普及之快是前所未有的。從沒有一種技術(shù)能像Internet一樣，劇烈地改變著我們的學(xué)習(xí)、生活和習(xí)慣方式。全世界幾乎所有國(guó)家都有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接或間接地與Internet相連，使之成為一個(gè)全球范圍的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。人們可以通過Internet與世界各地的其它用戶自由地進(jìn)行通信，可從Internet中獲得各種信息。

人們已充分領(lǐng)略到網(wǎng)絡(luò)的魅力，Internet大大縮小了時(shí)空界限，通過網(wǎng)絡(luò)人們可以共享計(jì)算機(jī)硬件資源、軟件資源和信息資源?！熬W(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”的概念被事實(shí)一再證明，被世人逐步接受。

在未來10年內(nèi)，建立透明的全光網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行，互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率將提高100倍。在Internet上進(jìn)行醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程教學(xué)、電子商務(wù)、視頻會(huì)議、視頻圖書館等將得以普及。同時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將成為眾多公司競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，未來我們可以通過無(wú)線接入隨時(shí)隨地連接到Internet上，進(jìn)行交流、獲取信息、觀看電視節(jié)目。

隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用、無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)的成熟以及計(jì)算機(jī)處理能力的不斷提高，新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。移動(dòng)計(jì)算正是為提高工作效率和隨時(shí)能夠交換和處理信息所提出，業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

移動(dòng)計(jì)算包括三個(gè)要素：通信、計(jì)算和移動(dòng)。這三個(gè)方面既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。移動(dòng)計(jì)算概念提出之前，人們對(duì)它們的研究已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，移動(dòng)計(jì)算是第一次把它們結(jié)合起來進(jìn)行研究。它們可以相互轉(zhuǎn)化，例如，通信系統(tǒng)的容量可以通過計(jì)算處理（信源壓縮，信道編碼，緩存，預(yù)?。┑玫教岣摺Ｒ苿?dòng)性可以給計(jì)算和通信帶來新的應(yīng)用，但同時(shí)也帶來了許多問題。最大的問題就是如何面對(duì)無(wú)線移動(dòng)環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。在無(wú)線移動(dòng)環(huán)境中，信號(hào)要受到各種各樣的干擾和衰落的影響，會(huì)有多徑和移動(dòng)，給信號(hào)帶來時(shí)域和頻域彌散、頻帶資源受限、較大的傳輸時(shí)延等等問題。這樣一個(gè)環(huán)境下，引出了很多在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中未遇到的問題。第一，信道可靠性問題和系統(tǒng)配置問題。有限的無(wú)線帶寬、惡劣的通信環(huán)境使各種應(yīng)用必須建立在一個(gè)不可靠的、可能斷開的物理連接上。在移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動(dòng)終端位置的移動(dòng)要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行配置和更新。第二，為了真正實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)中進(jìn)行各種計(jì)算，必須要對(duì)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行支持。第三，如何將現(xiàn)有的主要針對(duì)話音業(yè)務(wù)的移動(dòng)管理技術(shù)拓展到寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第四，如何把一些在固定計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的成熟技術(shù)移植到移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中。

面向全球網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的各類新型微機(jī)和信息終端產(chǎn)品將成為主要產(chǎn)品。便攜計(jì)算機(jī)、數(shù)字基因計(jì)算機(jī)、移動(dòng)手機(jī)和終端產(chǎn)品，以及各種手持式個(gè)人信息終端產(chǎn)品，將把移動(dòng)計(jì)算與數(shù)字通信融合為一體，手機(jī)將被嵌入高性能芯片和軟件，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)限通信協(xié)議（如藍(lán)牙）上網(wǎng)，觀看電視、收聽廣播。在Internet上成長(zhǎng)起來的新一代自然不會(huì)把汽車僅作為代步工具，汽車將向用戶提供上網(wǎng)、辦公、家庭娛樂等功能，成為車輪上的信息平臺(tái)。

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