淺析計算機科學與技術(shù)發(fā)展

曾耀輝

摘要：隨著中國的開放，科學技術(shù)的國際交流日益深入，現(xiàn)代化意義上的計算機產(chǎn)品與技術(shù)被不斷介紹并引入到國內(nèi)，在短時間內(nèi)取得了迅猛的發(fā)展。作為一名計算機工作者深切地感受到：計算機是一種多學科共同研究和推動的科研成果，哲學、數(shù)學、物理學、人工智能等都對其發(fā)展起到巨大的推動作用，當下的學習者受到各種客觀與主觀因素的影響，主要是對計算機產(chǎn)品的一種自我環(huán)境下的適應(yīng)性使用。

關(guān)鍵詞：計算機發(fā)展；新型計算機；研究策略

一、摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升？傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限？對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果—造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。而以IBM研究中心朗道（R．Landauer）為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度，此時，導(dǎo)線內(nèi)運動的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律—牛頓力學沿導(dǎo)線運行，而是按照量子力學的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀前30年內(nèi)終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜（EdwardO．Wilson）指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！?/p>

二、各種新型計算機

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機，計算機的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

1．量子計算機

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。量子計算機(quantum computer)是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規(guī)模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計算機大規(guī)模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。

2．光子計算機

現(xiàn)有的計算機是由電子來傳遞和處理信息。電場在導(dǎo)線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快。但是，從發(fā)展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。而光子計算機以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算，利用激光來傳送信號，并由光導(dǎo)纖維與各種光學元件等構(gòu)成集成光路，從而進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態(tài)及相位的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠勝于電子計算機中通過電子狀態(tài)變化進行的二進制運算，可以對復(fù)雜度高，計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

3．分子計算機

分子計算計劃就是嘗試利用分子計算的能力進行信息的處理。分子計算機的運行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。憑借著分子納米級的尺寸，分子計算機的體積將劇減。此外，分子計算機耗電可大大減少并能更長期地存儲大量數(shù)據(jù)。我們相信，新型計算機與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。必將推進全球經(jīng)濟社會高速發(fā)展，實現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破?？茖W在發(fā)展，人類在進步歷史上的新生事物都要經(jīng)過一個從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學家們的不斷努力，未來的計算機一定會是更加方便人們的工作、學習、生活的好伙伴。

三、探究研究策略的依據(jù)

筆者認為開展計算機發(fā)展史研究的一種思路是：本著實用主義的態(tài)度，分階段提取計算機發(fā)展過程中的關(guān)鍵問題。圍繞這些問題展開研究，尤其要著力于問題解決過程中碰到的困難，以及問題解決后發(fā)現(xiàn)的新問題。

1．“實用主義”無褒貶之分

彌補對計算機發(fā)展的歷史認知，不宜再去重做實驗，推倒人類已有的技術(shù)規(guī)范重來：只能進一步的學習和研究，在研究和學習中發(fā)現(xiàn)問題，找出規(guī)律。同時，“實用”也是發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢的應(yīng)有之義。

2．緊緊圍繞“問題”

在科學發(fā)展的歷史進程中，問題要比問題的解決更重要，“一個好的問題堪比一所好的大學”計算機的發(fā)展也是在不斷地提出問題、解決問題中發(fā)展進步，每一次問題的提煉和解決都促進了計算機水平得到一次升華和提高。

3．事物的發(fā)展是動態(tài)的，已有問題的解決必然帶來新的問題

新的問題是對已有問題解決方法的挑戰(zhàn)與審視，抑或是新科學新技術(shù)尋找用武之地發(fā)揮作用的要求，嘗試主動提出可預(yù)見的問題并設(shè)法解決是現(xiàn)代思維方式的一個顯著特征，愛岡斯坦曾說：提出一個問題往往比解決一個問題更重要，正是這個意思。提新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，這一切需要有創(chuàng)造性的想象力。往往是獲得認識突破的契機，這種習慣或者素養(yǎng)是極其寶貴的。

4．分階段

事物的發(fā)展不是一蹴而就的，在時間軸上是一種動態(tài)的螺旋的進化過程。每一個階段都是提高，每一個階段都將被否定。計算機的發(fā)展也必然遵守人造物發(fā)展的一般規(guī)律，也有其自身的萌芽期、發(fā)展期、普及期、成熟期。后期對前期的關(guān)照、否定或肯定。每一個時期都呈現(xiàn)出其特定的標志性歷史事件或文化符號，正是在對每一個時期的階段性標志事件和符號的研究和把握中，了解計算機發(fā)展史的基本面貌，啟迪和教育后來的研究者。

結(jié)束語

計算機是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一。在這個世紀之交，知識經(jīng)濟時代呼嘯而來，作為知識和信息的處理、傳輸和存儲之載體的計算機。在即將來臨的21世紀，將會不斷地開發(fā)出新的品種。而這些新穎的計算機的發(fā)展將趨向超高速、超小型 并行處理和智能化。為達到預(yù)想的目的各種新型材料將被運用到新型計算機的開發(fā)當中，如量子、光子 分子等。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學習以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術(shù)革命，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

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