現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向趨勢(shì)

黃滿

摘要：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(lái)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)

前 ?言

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(lái)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、Q Q聊天和網(wǎng)上購(gòu)物過(guò)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>

一、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?、莫克利等 研發(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(kāi)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(kāi)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.電子計(jì)算機(jī)

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(méi)有系統(tǒng)軟件，通常使用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。

2.晶體管計(jì)算機(jī)

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)。

3.中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

晶體管的出現(xiàn)為集成電路提供了可能，隨后人們開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

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。

二、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)。

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(wàn)片的光碟片。

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(lái)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。

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(kāi)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(wàn)條光束可以同時(shí)穿過(guò)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。

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(lái)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?？梢?jiàn)，納米計(jì)算機(jī)有著廣闊的發(fā)展前景。

三、結(jié)束語(yǔ)

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。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃艷云.計(jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新過(guò)程研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，2014（8）：179.

[2] 李玉瑛，譚賢楚.計(jì)算機(jī)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步[J].理論探新，2007（5）：185-186.