淺析現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向與趨勢(shì)

姚浩斯拉

摘 要：作為一種高新科技技術(shù)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展受到人們廣泛的關(guān)注與研究。隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)理論與現(xiàn)代能源材料的豐富，計(jì)算機(jī)得到了很大的進(jìn)步與發(fā)展，相繼研究出一些新型的計(jì)算機(jī)。在該文中，我簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)講述了一些新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展與特點(diǎn)，如生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)和納米計(jì)算機(jī)等。最后，對(duì)未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：發(fā)展歷程 生物計(jì)算機(jī) 量子計(jì)算機(jī) 光子計(jì)算機(jī) 納米計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0041-02

計(jì)算機(jī)俗稱電腦，是一種用于高速數(shù)據(jù)與邏輯計(jì)算和具有存儲(chǔ)與修改功能的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。計(jì)算機(jī)一般是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)作為一種集計(jì)算、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等于一體的工具，受到人們的廣泛關(guān)注與研究。就目前來講，計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入到了全新的變革與廣泛的應(yīng)用中。但人們往往對(duì)計(jì)算機(jī)的一些應(yīng)用，如電子郵件、QQ聊天和網(wǎng)上購(gòu)物過分關(guān)注，而忽略了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展等，根本不知所為何云。所以，在該文中我重點(diǎn)介紹了計(jì)算機(jī)的新發(fā)展和新趨勢(shì)，希望能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?/p>

1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

1946年2月，在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)，?？颂亍⒛死妊邪l(fā)出了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，雖然這臺(tái)計(jì)算機(jī)的大小有幾間房子那么大，且計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不算現(xiàn)在普通一臺(tái)電腦的速度，但它開啟了一個(gè)嶄新的時(shí)代，帶領(lǐng)人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代—— 信息革命時(shí)代。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的發(fā)明是一群科研人員的共同努力，由于馮·諾依曼，在計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想中起了關(guān)鍵作用，被稱為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”。從此以后，計(jì)算機(jī)研究受到廣大科學(xué)家的研究，開啟計(jì)算機(jī)的世界和它帶領(lǐng)的全新世界。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，大約可以分為四代，分別如下。

1.1 電子計(jì)算機(jī)（1946-1957）

電子計(jì)算機(jī)與第一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣，主要器件是電子元件，因此稱為電子計(jì)算機(jī)。但由于電子管的體積較大且存儲(chǔ)容量小，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的體積相對(duì)較大、耗電量快、速度很慢、存儲(chǔ)量小、可靠性差等特點(diǎn)，大都用于科學(xué)計(jì)算與科學(xué)研究中。在這個(gè)階段，計(jì)算機(jī)還沒有系統(tǒng)軟件，通常使用機(jī)器語言或匯編語言。

1.2 晶體管計(jì)算機(jī)（1958-1964）

隨著量子力學(xué)和固體物理能帶論等理論的建立，為半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代左右，巴丁和布拉頓成功研制了點(diǎn)接觸晶體管。隨后，肖克萊成功發(fā)明了結(jié)型晶體管，晶體管的研究逐漸走向成熟，也被應(yīng)用到計(jì)算機(jī)中，使計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入到第二個(gè)階段—— 晶體管計(jì)算機(jī)。

1959年，第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生。晶體管計(jì)算機(jī)采用了晶體管作為基本電子元件，用磁芯或磁鼓作為存儲(chǔ)器，因此在性能上比電子計(jì)算機(jī)有了很大提高。晶體管不僅具有尺寸小、質(zhì)量輕、效率高、發(fā)熱少、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了電子管作為計(jì)算機(jī)基本元件的一般功能，所以二代計(jì)算機(jī)的體積大大減小，壽命也大大延長(zhǎng)，為計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。此外，晶體管計(jì)算機(jī)還增加了浮點(diǎn)算法，使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)了一次飛躍，使計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理與工業(yè)控制等方面。

1.3 中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1964-1971）

晶體管的出現(xiàn)為集成電路提供了可能，隨后人們開始利用晶體管和其他電學(xué)元件設(shè)計(jì)復(fù)雜而精巧的集成電路。1959年，羅伯特羅伊斯用平面工藝生產(chǎn)出了能夠運(yùn)用到商業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜集成電路。隨后，計(jì)算機(jī)也開始使用中小規(guī)模集成電路作為計(jì)算機(jī)的主要元件，開啟了計(jì)算機(jī)的第三個(gè)時(shí)代—— 中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。

相對(duì)于前兩代計(jì)算機(jī)，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)仍然以存儲(chǔ)器為中心，但計(jì)算機(jī)的體積和功耗進(jìn)一步減小，可靠性和運(yùn)算速度也相應(yīng)提高，外部設(shè)備和功能也不斷增加，除了原有的數(shù)據(jù)處理功能，還可用于企業(yè)管理、自動(dòng)控制、輔助設(shè)計(jì)和輔助制造等領(lǐng)域。

1.4 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

隨著制造工藝與工藝的不斷發(fā)展，集成電路也在飛速發(fā)展。又根據(jù)摩爾定律，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，計(jì)算機(jī)進(jìn)入到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。

從1970年以后采用大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）為主要電子器件制成的計(jì)算機(jī)，就是第四代計(jì)算機(jī)。第四代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量明顯提高，如可以在硬幣大小的芯片上容納幾十萬甚至幾百萬的電子元件。隨著第四代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也隨之出現(xiàn)了一個(gè)重要分支——大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微處理器和微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)也大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：（1）1971年-1973年，微處理器有4004、4040、8008.（2）1973年-1977年，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和改進(jìn)階段。（3）1978年-1983年，十六位微型計(jì)算機(jī)發(fā)展階段。（4）1983-，32位微型計(jì)算機(jī)發(fā)展階段。

2 計(jì)算機(jī)的新發(fā)展與新趨勢(shì)

雖然大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)依然在不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，但隨著現(xiàn)代生物、物理、材料等的發(fā)展，一些新的計(jì)算機(jī)也在不斷研究中，如生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等。這些計(jì)算機(jī)雖然研究與應(yīng)用或許還不夠成熟，但也代表著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的最新發(fā)展與最新趨勢(shì)。

2.1 生物計(jì)算機(jī)

生物計(jì)算機(jī)（biological computer）又稱仿生計(jì)算機(jī)，是指用生物芯片替代在半導(dǎo)體上的大量晶體管而制造成的計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)大都采用生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子作為主要原料和生物芯片，因此稱為生物計(jì)算機(jī)。

由于脫氧核糖核苷酸（DNA）是一條帶有大量遺傳信息的雙螺旋結(jié)構(gòu)，它的資料存儲(chǔ)和運(yùn)算能力十分巨大，很可能比硅片等強(qiáng)得多，例如據(jù)了解1毫克DNA的存儲(chǔ)功能大約相當(dāng)于1萬片的光碟片。此外，DNA還具有同時(shí)處理兆個(gè)運(yùn)算指令的能力。這些都為生物計(jì)算機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，使其具有不同于集成電路計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小。可同時(shí)容納1萬億個(gè)此類計(jì)算機(jī)與一支試管中。（2）可靠性好。因?yàn)槿梭w蛋白質(zhì)在一定范圍內(nèi)具有自我修復(fù)功能，使生物計(jì)算機(jī)的內(nèi)部芯片損害時(shí)也可以自我修復(fù)，因此生物計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的可靠性。（3）存儲(chǔ)量大。據(jù)悉1立方米的生物大分子溶液大約克存儲(chǔ)1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。（4）運(yùn)算快。這是DNA具有同時(shí)處理兆個(gè)指令所決定的。（5）并行性好。相對(duì)于一般計(jì)算機(jī)的順序指令運(yùn)算方式，生物計(jì)算機(jī)由于生物大分子在合成DNA與蛋白質(zhì)時(shí)的同步合成使其具有并行功能。

作為新近發(fā)展的計(jì)算機(jī)，生物計(jì)算機(jī)以其獨(dú)特的性能成為21世界人類期待的工程之一。目前生物計(jì)算機(jī)的研究方向大致為：（1）制造有機(jī)分子元件去代替半導(dǎo)體元件，從而研制出分子計(jì)算機(jī)；（2）通過深入研究人腦的結(jié)構(gòu)與思維規(guī)律而構(gòu)想生物計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，依此研制生物計(jì)算機(jī)。

2.2 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律和基于量子效應(yīng)和量子比特而進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的計(jì)算機(jī)裝置。當(dāng)這個(gè)裝置處理和計(jì)算時(shí)利用的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

不同于一般計(jì)算機(jī)的只能在二進(jìn)制的系統(tǒng)上進(jìn)行，量子計(jì)算機(jī)由于滿足態(tài)疊加原理，使其內(nèi)每個(gè)物體都可以使用所有不可思議狀態(tài)的綜合來描述，所以量子計(jì)算機(jī)不僅可以利用0和1存儲(chǔ)還可以用粒子的量子疊加態(tài)存儲(chǔ)大量信息。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)40位元的量子計(jì)算機(jī)就能解開1024位元的集成電路計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年解決的問題。量子計(jì)算機(jī)的性能與運(yùn)算速度的優(yōu)異性和獨(dú)特性可見一斑。

迄今為止，世界上還沒有出現(xiàn)真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，但世界各地的許多人員都在堅(jiān)持不懈的研究著量子計(jì)算機(jī)，提出了量子計(jì)算機(jī)的各種構(gòu)想與方案，如液態(tài)核磁共振量子計(jì)算機(jī)、（固態(tài)）硅晶體核磁共振量子計(jì)算機(jī)、離子陷阱、量子光學(xué)、腔室量子電動(dòng)力學(xué)、超導(dǎo)體方案等等。也許這些方案或多或少的都有些不足與瓶頸，但我相信隨著人類的不懈研究與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)最終將成功研制，并走向我們的日常生活。

2.3 光子計(jì)算機(jī)

隨著現(xiàn)代光學(xué)與光學(xué)工程的發(fā)展，人們漸漸開始用光子代替電子，光運(yùn)算代替電運(yùn)算，激光器、光學(xué)反射折射鏡、濾波器等光學(xué)元件與設(shè)備代替相應(yīng)的電子元件與設(shè)備，研究光子計(jì)算機(jī)。所謂光子計(jì)算機(jī)，就是利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息儲(chǔ)存與處理等的新型計(jì)算機(jī)。相較于一般計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）強(qiáng)可靠性。光子不像電子那樣帶有電荷，因而不存在電磁相互作用，在自由空間中千萬條光束可以同時(shí)穿過一個(gè)光學(xué)元件而不相互作用與影響，所以光子計(jì)算機(jī)的可靠性很強(qiáng)。（2）高運(yùn)算速度。由于光子的并行性使其并行處理能力強(qiáng)，且光子的傳播速度達(dá)到3 ×108，導(dǎo)致光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更高，甚至可達(dá)1000億次。（3）高存儲(chǔ)量。光子互聯(lián)不受電磁干擾，互聯(lián)的密度很高，幾乎可達(dá)到每平方毫米面積上的光子線路連接量達(dá)5萬條。

2.4 納米計(jì)算機(jī)

所謂納米科學(xué)與技術(shù)就是在物體的三維結(jié)構(gòu)中有至少一維的尺度為1納米至100納米。根據(jù)摩爾定律，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)的硅芯片已經(jīng)達(dá)到了物理極限，如果繼續(xù)減小其尺寸，將導(dǎo)致嚴(yán)重的電流損耗。隨著超高分辨率顯微鏡的發(fā)明和納米技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將納米材料引入計(jì)算機(jī)，如研究了薄膜晶體管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的晶體管，研究了納米計(jì)算機(jī)。

因?yàn)榧{米材料獨(dú)特的性質(zhì)，如納米材料的體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，納米計(jì)算機(jī)解決了普通計(jì)算機(jī)的上述缺點(diǎn)。同時(shí)，利用納米材料制造芯片只是將實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)好的分子合成在一起即可生產(chǎn)處芯片，極大地降低了生產(chǎn)成本。可見，納米計(jì)算機(jī)有著廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，計(jì)算機(jī)逐漸滲入到人們的日常生活，成為人們生活工作必不可少的一個(gè)工具?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)將繼續(xù)朝著巨型化、微小化、智能化和多功能化方向發(fā)展，使其更加便利人們的生活。生物計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)和納米計(jì)算機(jī)等新型計(jì)算機(jī)作為21世紀(jì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向與趨勢(shì)也將繼續(xù)受到人們的廣泛研究，使其不斷發(fā)展與成熟，最終走入尋常百姓家。相信，計(jì)算機(jī)的發(fā)展將更加美好，人們的生活也因此更加美妙。

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